CN117529360A - 可空调供气的二氧化碳气体分离浓缩装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种湿式TSA转子旋转型二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置，其不仅是对烟道气体等，还能够对空调空气、大气中的二氧化碳气体进行高效率地分离，并且高浓度地浓缩，能够利用100℃以下的低温排热，能够小型紧凑化，能量效率高。在按照转子的旋转方向的顺序至少划分为处理气体区域、回收区域、解吸区域且密封的发泡模块板层叠单元结构壳体内，使二氧化碳气体吸着转子旋转，在处理气体区域中，在蜂窝湿润的状态下进行蒸发冷却并且使二氧化碳气体吸着，向解吸区域导入饱和蒸气，利用冷凝热解吸二氧化碳气体，通过旋转方向前段的回收区域使其净化并回收。由此，能够防止吸着材料的热/氧化劣化，并且能够高效率地分离、高浓度地浓缩二氧化碳气体，并且能够以高的能量效率进行回收。

Description

可空调供气的二氧化碳气体分离浓缩装置

技术领域

本发明涉及一种能够以高回收率进行回收、高浓度地浓缩、耐久性高、能够利用100℃左右的排热、且消耗能量少、价廉且容易紧凑化的湿式变温法二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置。

背景技术

作为全球变暖对策，全世界都在努力尽可能地减少从工业、机动车及家庭排放的二氧化碳气体。例如，将能源消耗大的设备替换为节能型这样的措施。另外，研究开发了用太阳能、风力等可再生能源呆体化石来源的能源的措施，从火力发电厂等大规模二氧化碳气体产生源分离浓缩二氧化碳气体并贮存地下、深海中的技术，向采油末期的油田注入二氧化碳气体以增加采油量的原油增进回收法(CO₂-EOR)，或者从大气中分离回收二氧化碳气体并将其循环利用为燃料等的技术等。

在以上的措施中，本发明涉及不仅从火力发电厂、燃烧炉等排放的气体中，而且从大气、空调空气中也能够分离二氧化碳气体并进行高浓度浓缩的技术。本发明涉及二氧化碳气体分离浓缩技术，该技术不是与大量排放二氧化碳气体的设施邻接设置，而是与回收利用回收二氧化碳气体的场所邻接设置，或者易于用于搬运而紧凑化。

火力发电厂最普及的是使用煤、石油、天燃气等化石燃料作为燃料，此外还有焚烧从城市排放的垃圾进行发电的火力发电厂等。这种火力发电厂的特征在于，燃料便宜，具有技术史和实际成绩，能够稳定地供给电力。但是，火力发电厂排放二氧化碳气体，存在促使地球变暖的问题。

作为其对策，除了将排气中的二氧化碳气体分离回收浓缩，将回收的二氧化碳气体储存在地下、深海中，或者用于原油增进回收法(CO₂-EOR)以外，还研究开发了各种再利用方法。作为该二氧化碳气体的分离回收浓缩方法，提出了深冷法、吸收法、吸附法、膜分离法等各种方法。

深冷法是将原料气体加压，利用加压下的各气体的液化温度之差，将二氧化碳气体液化分离的方法。需要压缩气体的压缩机的电力和进行深冷的冷冻机的电力，例如在二氧化碳气体浓度为10％左右的情况下，除了二氧化碳气体以外的不需要回收的其他90％的气体也必须一起压缩、深冷，因此具有能量消耗过大的缺点。

吸收法是使二氧化碳气体被单乙醇胺等胺系的碱液吸收而回收，通过加热使二氧化碳气体脱离而浓缩的方法，已经实用化，但由于处理碱液，需要耐腐蚀性的高价的材料，成本高。另外，胺水溶液的浓度为30％左右，70％左右为水，所处理的液体的热容量巨大，因此，即使在关键部位配置热交换器进行热回收，也接近节能化的极限。

吸附法使用沸石、活性碳等气体吸附材料，有利用压力差进行吸附/解吸的压力摆动法(以下称为PSA法)和利用温度差进行吸附/解吸的热摆动法(以下称为TSA法)。PSA法是利用二氧化碳气体的吸附量根据压力而变化的原理，进行加压而仅吸附二氧化碳气体，进行减压而解吸分离回收二氧化碳气体的方法，因此需要高压容器，作为周边设备还需要电磁阀、压缩机、真空泵等精密机械，存在难以大型化的问题。

TSA法是在摄氏50℃以下(以下，温度全部为“摄氏”)的温度下使二氧化碳气体吸附，利用加热至100～200℃左右的温度的气体使二氧化碳气体解吸而回收的方法。在将填充有二氧化碳吸附材料的复数个吸附塔交替地切换为吸附和再生的多塔式中，存在气体的压力损失高，无法避免由塔的切换引起的浓度、压力的变动，难以大型化等缺点。

在TSA法中，能够以低压力损失使用大型化的旋转型吸附蜂窝转子的除湿技术、从涂装排气等中回收浓缩有机溶剂的技术也被实用化。转子的入口、出口被扇区(sector)隔开，以构成复数个区域，并在处理气体和解吸气体向各区域的流动(流动方式)上下功夫，实现了性能的提高。迄今为止，还公开了用于除湿至极限的超低露点温度的气体吸附机(专利文献1)、将稀薄浓度的VOC尽可能高浓度地浓缩的专利文献2、3的方法。关于二氧化碳气体的浓缩也进行了研究，在从燃烧排气的分离浓缩方面专利文献4被公开、在大气中的二氧化碳气体分离空调方面专利文献5也被公开。但是，关于二氧化碳气体，已知在现有的TSA法中，在回收率、回收浓度、节能性等方面达到了原理上的极限。在专利文献6中，还公开了一种不是通过蜂窝转子而是通过粒状吸附材料的移动层方式使用过热蒸气进行解吸浓缩的技术，但是在回收成本等课题上存在许多问题。本发明人作为新技术进行了将饱和蒸气用于再生解吸的专利文献7、8、9、10的研究开发，但依然存在二氧化碳气体的回收效率、浓缩浓度、低成本化、节能性等用于实用化的很多课题。

近年来，特别是在国外也进行了直接分离回收大气中的二氧化碳气体的技术(Direct Air Capture以下称为DAC，专利文献11、12、13)的开发和实证试验。DAC的优点是：①能够以机动车、飞机等分散且移动的排放源为对象了；②也可以以过去排放的二氧化碳气体为对象；③回收装置的设置场所不受排放源的制约，能够在再利用的工场附近得到二氧化碳原料；等等特征。在欧洲和美国有进行大规模的实证试验的例子。

另一方面，二氧化碳气体在焊接用、医疗用、食物保管用等其他方面有一定的需求，并且其原料气体被回收利用并作为副产品用于石油化工厂、氨合成长等。氨作为肥料等用途，支撑着全球70％人口的生计，被认为是人类生产最多的化学物质，其制造过程中产生的二氧化碳超过了总排放量的3％。

氨作为不产生二氧化碳气体的燃料而受到关注，但由于在其制造工序中利用天然气等化石燃料，而产生二氧化碳气体。所产生的二氧化碳气体被回收利用，但即使如此，不能回收的二氧化碳气体被排放到大气中，成为促使地球变暖的原因。

今后，由于担心以往的氨生产方法导致二氧化碳气体排放、塑料垃圾对环境污染等，会推动资源再循环和重新审视对环境影响更小的生产方法，由于预料到产品二氧化碳的原料气体源将会短缺，因此未来产品二氧化碳的来源也会向可再生型转变。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第2673300号公报

专利文献2：日本特开平11-309330号公报

专利文献3：日本特开2000-37611号公报

专利文献4：日本专利第6498483号公报

专利文献5：日本特开2011-94821号公报

专利文献6：日本特开2020-69423号公报

专利文献7：日本专利第6605548号公报

专利文献8：日本专利第6408082号公报

专利文献9：日本专利第6510702号公报

专利文献10：日本专利第6632005号公报

专利文献11：日本特表2017-528318号公报

专利文献12：日本特开2018-23976号公报

专利文献13：日本特表2017-502833号公报

专利文献14：日本特开平11-132522号公报

发明内容

发明要解决的问题

本发明涉及一种不仅能够从发电站等的排气中，而且也能够从外部气体、空调空气中分离浓缩二氧化碳气体的方法，因此提出了能够以高回收率进行回收，能够高浓度地进行浓缩，能够小型紧凑化，低成本，耐久性高，能够利用100℃左右的排热，并且热效率高的湿式TSA法二氧化碳气体分离浓缩装置。

吸附和吸收现象是不同但相似的现象，在两方因素都存在的情况下有时也使用吸着一词。例如，在二氧化碳气体回收中研究的离子交换树脂即使是凝胶型，也认为存在因含水而被水充满的细孔，二氧化碳在该细孔内扩散而吸附在细孔内表面的固定胺基上，与在水中利用活性碳吸附除去有机质类似。

在此，为了避免吸附、吸收的表达混乱，在引用文献、以往的干式TSA法中如以往那样表达为“吸附”，关于湿式TSA法的二氧化碳，表达为“吸着”。

另外，也有吸着“材料”或“剂”的表达，但“剂”是形状不确定的，通过细孔结构、表面积等被控制并且官能团被固定的结构而产生功能、优劣的物质为“材料”，在本说明书中称为“材料”。

另外，按照区分使用水和水蒸气的表述那样，将化学物质、分子的表述为二氧化碳，但在明确地表示气体的情况下表述为二氧化碳气体。此外，将二氧化碳的回收率、回收二氧化碳浓度分别简单表述为回收率、回收浓度。

在以除湿机等除湿处理后的空气为目标物的情况下，有时表达为对吸附材料进行处理/再生，在以VOC气体物质等的浓缩为目的的情况下，有时表达为对回收的气体物质进行吸附/解吸。在文中也混有“处理/再生”的表达和“吸着/解吸”的表达，但由于是以吸着材料为主体还是以气体为主体的不同，在现象上意味着相同的操作。遵循引用文献，或者根据当时的情况，为了便于理解而使用了两种表达方式。

高性能化的极限

专利文献4中公开的技术是使用能够吸附二氧化碳的沸石蜂窝转子而通过以往的干式TSA法，从烟道气体等中浓缩回收二氧化碳气体的流程的改进型。TSA转子浓缩法中，以追求转子的冷却、吸附热的除去及节能性，以及提高回收率和回收浓度为目的而进行研究并发明的流程。即使将为了提高回收率而一边冷却吸附出口气体一边使其多次在冷却区域(＝吸附区域)中循环的方法、和为了提高回收浓度而一边加热所解吸的二氧化碳气体一边使其多次在解吸区域中循环并进而进行特殊的净化方法进行组合，回收率60％、回收浓度75％左右也是界限，存在如果想要提高其中一方则另一方会降低这样的权衡关系。另外，由于吸附侧气体和解吸侧气体必须循环多次，因此，如专利文献8所示，需要除湿用或VOC浓缩用转子两倍以上的直径。如上所述，例如即使有二氧化碳吸着材料的创新，在以往的干式TSA法的延伸上也无法期望其进一步实现显著的高性能化，可见，需要以全新的想法实现技术突破。

转子大型化及再生多风量

专利文献5所公开的技术，以从空调空气、大气中分离除去二氧化碳气体进行空调供气，以提高空调的节能性为目的进行了研究开发，但分离除去的二氧化碳气体浓度为1000ppm左右，需要与处理空气同风量的大量的再生空气，因此，转子大型化，再生用的大型供气/排气管道的设置空间、成本成为课题。

由夹杂水蒸气而引起的性能降低、能量损失

专利文献7、8、9中公开的技术是根据以上的研究经验、见解，以技术突破为目标，发明了湿式TSA法。首先，为了进行比较，对以往的干式TSA法的问题进行说明。在以往的干式TSA法中，在二氧化碳吸着时原料气体中的水蒸气也吸附而产生吸附热，不仅阻碍二氧化碳气体的吸着，而且在二氧化碳气体解吸时由于吸附水的解吸能量消耗而产生显著的能量损失。

在专利文献6中，公开了一种方法，该方法通过移动层方式利用添附了胺的球状硅胶从炉排气中吸着二氧化碳气体，然后用过热蒸气进行再生解吸，从而回收高浓度二氧化碳气体。但是，在利用球状硅胶的填充层及移动层、流动层中，湿式TSA法是困难的。这是因为，会发生由冷凝水引起的流路堵塞、偏流、或者由冷凝水的表面张力引起的粒子的附着固结所导致的不良情况。

为了避免这样的问题，不得不选择1mm以上的粒径的球状硅胶，但如果成为1mm以上的粒径，则在吸着/解吸循环中，相对于反应快的表层部，反应慢的中心深部成为热力学上的负担。也就是说，吸着/解吸慢的深部作为显热蓄热体起作用，另外，深部的吸附水也被加到显热蓄热中。也就是说，反应慢的球状硅胶的深部在解吸加热时蓄热，使解吸的开始延迟，过剩地产生有害的冷凝水，在吸着时成为热负荷，吸着开始延迟。

另外，如果伴随着吸着/解吸的水蒸气的冷凝、蒸发的平衡被破坏，则成为连续运转的障碍的冷凝水蓄积，因此需要干燥工序，进而也会增加冷却工序。进而，为了通过粒子内部扩散阻力发挥有效吸着解吸率，吸着带的长度变长，压力损失的上升、粒状硅胶的所需量不得不增加。

在专利文献6中，为了处理凝结-蒸发的平衡被破坏而成为剩余的冷凝水，在解吸工序之后必须追加干燥工序，作为避免该情况的方法，提出了对蒸气过热温度进行控制供给的方法，但会成为与节省能源相反的对策。本发明的湿式TSA法中使用的吸着体是对专利文献7中公开的负载了0.1mm以下的胺系离子交换树脂微粒的片材、或者厚度为1mm以下的具有二氧化碳吸着功能的高分子片材、或者专利文献8中公开的粘附固定地负载了粒径为1mm以下的粒子的片材进行蜂窝加工等而制备的吸着体，因此，冷凝-蒸发的平衡不容易被破坏，并且不会发生由冷凝水引起的不利影响。另外，在专利文献10中公开了使用不是蜂窝状而是将分散负载有粒状吸着材料的片材层叠而成的吸着体的方法，但由于粒状吸附材料保持距离地固定，因此不受冷凝水的表面张力引起的粒子的固结、毛细管力引起的流路堵塞等不利影响。专利文献7、8、9、10中的任一的冷凝水不会从粒子、蜂窝的表面移动流出。因此，不会发生上述那样的由于1mm以上的直径的粒子层的热行为而导致剩余的冷凝水处理的问题。因此，也不需要解吸后的干燥工序、冷却工序，也不需要用于控制冷凝水量的过热蒸气。

对于湿式TSA法，在二氧化碳气体的解吸中不使用过热蒸气，而使用100℃以下的饱和蒸气，不仅能够利用饱和蒸气的冷凝热将二氧化碳气体高浓度地浓缩回收，而且在解吸时从水蒸气冷凝的水分残留在蜂窝内表面，在处理区域中一边蒸发冷却一边吸着二氧化碳气体，因此不仅迅速冷却刚解吸后的转子，而且通过权衡二氧化碳气体的吸着热来抑制温度上升，因此与干式TSA法相比，二氧化碳气体的吸着性能飞跃性地提高。在专利文献7、8、9、10所公开的技术中，在回收率、回收浓度、节能性、低成本化方面存在不足和课题。

技术课题1吸着材料的热/氧化劣化

防止胺系二氧化碳吸着材料的热/氧化劣化与由解吸温度高温化带来的性能提高存在权衡关系，这一直是重要课题。

在专利文献5中，采用了能够分离二氧化碳气体的胺系弱碱性离子交换树脂，并且为了避免吸着材料的热/氧化劣化在低温再生方式下进行实验。但是，研究表明，即使是45℃左右的低温再生，在干燥状态的空气中也会在短时间内发生显著的性能劣化。

专利文献11中公开了在转移至二氧化碳吸着后的解吸工序之前减压至20～400mb而使氧气浓度降低，从而避免胺官能化吸着材料的氧化劣化，并且防止空气等气体混入回收二氧化碳气体中，从而提高回收二氧化碳气体的纯度的技术，另外在解吸操作之前，用非活性气体对吸着材料腔室进行预净化而除去含有氧气的气体的方法，但减压设备、装置的耐压性、非活性气体费用等成本上升的要因很多。

在专利文献12中，在从吸着工序转移到解吸工序之前，用非活性气体进行净化，从解吸路径除去氧气。还公开了一种方法，该方法在返回到吸着工序之前用非活性气体冷却吸着材料结构，以防止对吸着材料的氧化损害。但是，在用非活性气体进行净化的方法中，非活性气体成本、净化装置的初始成本成为课题，还需要考虑由净化气体的混入引起的二氧化碳浓度降低。

在专利文献13中公开了一种方法，该方法是旋转型的吸着浓缩装置，具有能够密封的再生箱，利用排气泵等进行减压而冷却，并且使氧气浓度降低而防止热/氧化劣化。但是，在利用排气泵进行减压的方法中，除了排气泵的初始、运行成本之外，还存在需要耐压强度的再生箱成本、确保密封性的困难性。

专利文献9公开了一种方法，该方法在湿式TSA法中，构成连通解吸区域的入口和出口的气体循环路径，并且将饱和蒸气供给到从解吸区域排出的二氧化碳气体和水蒸气的混合气体，并且使该混合气体循环。由此，解吸路径的氧气浓度降低，防止二氧化碳吸着材料的热/氧化劣化，耐久性提高。但是，虽然通过该方法提高了一定的效果，但由于是在二氧化碳气体和水蒸气的加热混合气体中进行解吸的原理，因此，如后述的比较例中详细说明的那样，可知受到混合气体的二氧化碳气体分压的影响，二氧化碳气体回收率、回收浓度存在极限，利用饱和蒸气的湿式TSA法的二氧化碳气体分离回收浓缩技术需要进一步的技术突破。

技术课题2提高回收浓度的方法(过去的发明分析)

在专利文献1中公开了转子旋转式节能超低露点除湿机的流程。按照转子的旋转方向的顺序被分割为第二吸附区域、第一吸附区域、第二再生区域、第一再生区域、预冷却净化区域。处理空气通过第一吸附区域的蜂窝并且被除湿。除湿后的处理空气由于吸附热而升温，因此在冷却之后在第二吸附区域进一步除湿至超低露点后进行供给。

再生侧将第二吸附区域的出口空气的一部分导入到预冷却净化区域，用超低露点空气净化刚再生后的蜂窝并进行冷却，蜂窝旋转移动到第二吸附区域。净化出口空气由于回收蜂窝的热量而升温，因此进一步用再生空气加热器升温，从而再生通过第一再生区域的蜂窝。由于通过了第一再生区域的空气仍然是能够再生的程度的低露点，温度也高，所以再次加热该空气，从而通过第二再生区域的蜂窝进行再生排气。通过这样的流动结构，能够用一台转子装置实现节能，并且除湿至超低露点。该方法设法在将处理空气中的水蒸气的除去率提高到极限的同时抑制再生能量消耗，但不能提高回收浓度。

专利文献2公开了一种用于浓缩稀薄浓度的气体的流程，按照转子的旋转方向的顺序依次具备吸附区域、第一解吸区域、浓缩区域和第二解吸区域。另外，将通过空气加热器使处理气体的一部分升温后的加热空气导入到第一解吸区域和第二解吸区域。在第一解吸区域中，在吸附区域中吸附的气体被浓缩解吸。离开第一解吸区域的初级浓缩气体被导入到浓缩区域并被再吸附。进而，该蜂窝旋转移动到第二解吸区域，通过上述的解吸空气的导入而以高倍数被浓缩回收。该方法停留在十几倍～二十几倍浓缩的设想，不能达到超过其的高浓度。

专利文献3中公开的技术也是用于尽可能地浓缩稀薄浓度的气体的流程，并且在转子的旋转方向上具备吸附区域、第一解吸区域、第二解吸区域、第三解吸区域和净化区域。使处理气体的一部分通过净化区域而冷却转子，并且对净化通过空气进行热回收而使其升温，进而通过加热器进行加热，分别导入解吸到第一解吸区域、第二解吸区域、第三解吸区域。通过转子旋转，将在解吸初期浓缩度低的第一解吸区域出口气体和在解吸即将结束时浓缩度低的第三解吸区域出口气体返回到处理入口侧进行混合，设法提高吸附浓度。这是从在三个解吸区域中浓度峰值最大的第二解吸区域的出口处回收浓缩气体的流程。该方法也停留在十几倍～二十几倍浓缩的设想，不能进行超过其的浓缩。

专利文献2、3都是要将稀薄浓度的VOC气体浓缩到尽可能浓的浓度、十几倍到二十几倍的流程。专利文献1、2、3中的任一方，原则上不可能通过干式TSA法如本发明所希望的从二氧化碳浓度几百ppm的外部气体或10％左右浓度的燃烧废气中高浓度浓缩回收至50％～100％浓度。如上所述，在至今为止申请的现有专利想法中，没有提出能够通过转子旋转式TSA法从几百ppm浓度中分离回收并高浓度浓缩至几十％以上的方法。

技术课题3实现低成本、隔热性的装置结构

与在以往的干式TSA法中用于再生的加热气体相比，饱和蒸气虽然温度在100℃以下，但能量密度高，仅几度的温度下降就会产生大量的冷凝水和能量损失，因此研究了能够抑制成本上升并且确保高隔热性的方法。

以往的空气处理装置制造方法对金属板加工、焊接组装而成的制罐品进行涂装，为了防止金属板的重叠部位的泄漏而用填缝材料进行填缝。对转子、热交换线圈、加热器、送风机等设备进行组装布线，在必要的部位进行绝热处理。如果需要耐热性，则用玻璃纤维绝热材料等进行绝热，如果是以防止结露为目的，则用发泡苯乙烯保温板等进行绝热。如上所述，无法避免工序繁多、成本上升。

在其他的以往技术中，也有使用在两张钢板之间夹层粘接了发泡苯乙烯板等的绝热板，经由成型的铝框架组装成箱型，在内部装入转子、送风机等设备，削减绝热工序等成本的方法，但这种方面主要面向以空调空气、冷热为对象的中大型设备，对于需要TSA操作的设备，还必须采取内部耐热管道、绝热机构，因此仍然导致成本上升。

专利文献14涉及热交换换气装置的绝热性低成本化。公开了通过将组装热交换元件并由发泡苯乙烯成形一体化的“热交换元件构造体”、组装排气风扇并由发泡苯乙烯成形一体化的“排气风扇侧构造体”、组装供气风扇并由发泡苯乙烯成形一体化的“供气风扇侧构造体”分别组合一体化，构成排气侧、供气侧的各流路，实现绝热性高、隔音性高的换气装置。

该方法以家庭用热交换换气扇的静音性、低成本化为目的，在绝热性、静音性、生产率、低成本化方面优异，但适合于少品种大量生产，而不适合于设备规模的设计对应小批量生产系统。另外，由于是静止型全热交换器换气装置，因此能够以这样的材料、构造体应对。而本发明旨在利用湿式TSA法的二氧化碳气体分离浓缩装置需要高绝热性和耐热性，还存在用于旋转转子的滑动密封部、复杂的净化和流路，并且由于使用饱和蒸气，因此存在不同维度的困难。

用于解决问题的手段

同时解决技术课题1及课题2的方案

为了进一步提高湿式TSA法的性能，研究了将饱和蒸气温度提高到接近100℃的情况，考虑了吸着材料由于被带入到解吸区域的氧气而热/氧化劣化的现象的对策。反复进行试制开发试验并且新发明的方法及装置是一种二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置，其中，将具有吸附二氧化碳气体的能力的转子容纳在至少按照转子的旋转方向的顺序依次具有处理气体区域、形成于不产生结露水的高绝热性结构的层叠结构净化/回收块的回收区域和解吸区域的分别密封的壳体内并使所述转子旋转，在处理气体区域中，在转子湿润状态下，使其与含有二氧化碳气体的空气或混合气体接触而进行气化冷却，并且吸着二氧化碳气体，向解吸区域导入饱和蒸气，利用蒸气的冷凝热使高浓度的二氧化碳气体解吸，并通过回收区域进行回收。

迄今为止，转子式气体回收浓缩装置的流程有各种各样的发明，但都是回收由最高能量的解吸气体解吸的解吸区域出口气体。但是，本发明的不同之处在于，使由最高能量的解吸气体(饱和蒸气)解吸的解吸出口气体通过回收区域，进行热回收、冷却、减湿并回收。也就是说，是将接近100℃的饱和蒸气导入解吸区域，从蜂窝解吸二氧化碳气体，将其出口的二氧化碳气体和饱和水蒸气的混合气体导入并使其通过旋转方向前段侧的回收区域，并回收二氧化碳气体的方法。

作为进一步提高回收率、回收浓度、节能性的方法，考虑了在所述回收区域和解吸区域的前后组合循环净化区域的方法的装置。一种二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置，其中，将具有吸附二氧化碳气体的能力的转子容纳在至少按照旋转方向的顺序依次具有处理气体区域、形成于不产生结露水的高绝热性结构的层叠结构净化/回收块的处理气体净化区域、回收区域、解吸区域和解吸气体净化区域的分别密封的壳体内并使所述转子旋转，在所述处理气体区域中，在转子湿润状态下，使其与含有二氧化碳气体的空气或混合气体接触而进行气化冷却，并且吸着二氧化碳气体，处理气体净化区域和解吸气体净化区域进行循环净化，向解吸区域导入饱和蒸气，利用蒸气的冷凝热使高浓度二氧化碳气体解吸，并通过回收区域进行回收。循环净化气体通过泵进行循环。

二氧化碳气体分离浓缩回收仅靠这一点很难成为事业。因此，考虑了将二氧化碳气体的回收与处理后的二氧化碳气体浓度低的空气的有效利用组合的方法。一种二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置，其中，含有二氧化碳的混合气体为大气或空调空气，将从处理气体区域出来的空气供给空调用，将从回收区域出来的二氧化碳气体进行回收。由于空调换气的节能效果和空调空气的二氧化碳气体浓度比大气高，所以能够期待增加每单位处理风量的二氧化碳气体回收量的效果。

技术课题3同时实现装置的高绝热性和降低成本的方案

作为本发明的目的的湿式TSA法二氧化碳分离浓缩技术，从后述的比较例2、3的实验结果来看，着眼于冷凝水的漏水、排水量，认为形成高绝热性结构是绝对条件。这是因为，冷凝水在回收气体以外的地方的流出意味着巨大的热损失。

以往，除湿机、VOC浓缩装置等这种空气处理装置是对焊接的金属板加工品组装而成的制罐加工品进行涂装，并安装组装鼓风机、转子及密封装置、加热器、内部管道及其他结构设备，对要部进行绝热处理、电气布线，从而进行生产。隔热性的不良情况会产生因性能不足、能量损失、产生结露水的不良情况，因此需要花费工夫进行处理，加工工时增加，成为成本上升的主要原因。

在湿式TSA分离浓缩法中，各段要求比以往产品更高的绝热性。这是因为接近100℃的饱和蒸气具有相同温度的空气、二氧化碳气体的几百倍的热函。另外，100℃的饱和水蒸气为100％水蒸气，但温度越低，水蒸气以外的气体的混入率越高。因此，认为使饱和蒸气温度尽可能接近100℃是为了热/氧化劣化对策和高浓度回收的必要条件。

本发明的湿式TSA法二氧化碳气体体分离浓缩装置，如上所述具有复杂的区域，为了防止在不需要的地方的蒸气的结露冷凝、热损失，需要高度的绝热性、耐湿/耐热性，进而由于原料气体和回收气体的浓度差较大，因此要求高的密封性。研究了能够以高生产率、低成本且绝热性高、轻量的结构实现这种装置的方法，发明了一种“模块板层叠单元结构”，该“模块板层叠单元结构”是在根据所需部位的要求特性选定了材质的发泡板上，将制作有各设备、流路的复数个发泡模块板层叠组装而一体化。

“模块板层叠单元结构”通过在复数个发泡板上分别加工结构设备的设置空间及气体的流通路，组装转子、驱动装置等结构设备，将各个模块板层叠组装，从而作为二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置而完成。具体而言，作为二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置，将“转子盒模块板”、“转子端面模块板”的前后和“送风系统模块板”层叠组装而一体化，该“转子盒模块板”是将具有吸着二氧化碳气体的能力的蜂窝转子和由驱动电动机及驱动带构成的驱动系统组装于发泡板而成的，该“转子端面模块板”的前后是将由具有解吸、回收、净化流路等空间和连通路径的复数个耐热性发泡橡胶板等构成的“层叠结构净化/回收块”分别组装在保持转子轴并以密封滑动的方式支承转子的两端面的发泡板上而成的，该“送风系统模块板”组装有处理气体送风机。

在“转子盒模块板”中，特别重要的是，构成回收、解吸、净化等区域部的扇形部分即“层叠结构净化/回收块”，还需要用于确保密封性的弹性、滑动性、耐磨损性、耐热性、耐水性。“层叠结构净化/回收块”是将至少具有解吸、回收、净化等各区域空间或不具有这些区域空间的扇形片材层叠的层叠结构，与转子端面相接的滑动面为耐热耐磨损性的滑动片材，其下层为发泡橡胶片层，其再下层为设有各区域间的连通路径的发泡橡胶片材层或发泡板层，底面部层为不具有区域空间的绝热板，将它们层叠粘接而形成块化，并在外周部或底面设有蒸气导入部和解吸气体回收部，从而构成“层叠结构净化/回收块”。底部绝热板可以是发泡橡胶、树脂类发泡板中的任一种。将如上所述构成的“层叠结构净化/回收块”组装到“转子端面模块板”上。

发明效果

技术课题1及课题2的同时解决效果

新发明的流程是，按照转子的旋转方向的顺序设置处理气体区域、回收区域、解吸区域，向解吸区域导入接近100℃的饱和蒸气，利用水蒸气的冷凝热将吸着于蜂窝的二氧化碳气体解吸，使该气体导入并使其通过旋转方向前段的回收区域，并回收二氧化碳气体。

通过该流程，与由于转子旋转而被带入到回收区域的空气被净化回收而成为最高温的解吸区域中不混入氧气，与此效果相结合，抑制了吸着材料的氧化劣化，能够常用接近100℃的饱和蒸气。另外，在回收区域中，通过在解吸前对蜂窝进行预热/热回收的节能效果、和从回收气体侧观察使气体温度、含有蒸气量降低的效果，还能够削减用于回收后的二氧化碳气体与水蒸气分离的冷却负荷。

作为进一步提高回收率、回收浓度、能量效率的方法，考虑了在上述回收区域和解吸区域的前后组合循环净化区域。从处理气体区域通过转子旋转，内包在蜂窝空隙中而移动的处理气体在处理气体净化区域被排气，该排气通过循环路径被导入到解吸气体净化区域，将旋转移动到解吸气体净化区域的蜂窝中内包的解吸气体置换推出。被推出的解吸气体通过循环路径导入到处理气体净化区域。

根据以上的循环净化原理，通过在二氧化碳气体的回收区域和解吸区域的前后组合的净化区域将蜂窝空隙中的气体相互置换，具有使回收率、回收浓度提高、并提高能量效率的效果。循环净化技术也记载于专利文献1。

以往技术的课题3的解决效果

“模块板层叠单元构造”选定符合所需部位的要求特性的材质的发泡板，分别抽取所需部位并装入构成部件而模块化，分别将各个模块板层叠而将装置整体一体化构成，因此不需要制罐加工、焊接部的防漏密封、防锈涂装，通过简单的组装就能够确保充分的绝热性，也能够应对从少量生产到大量生产，能够大幅降低成本。另外，通过采用解吸、回收、净化功能部即“层叠结构净化/回收块”，具有复杂的复数个区域，并且高精度且低摩擦滑动性，密封效果、追随性也良好，不需要复杂的调整，能够确保耐热性、绝热性和耐久性，并且抑制成本。

附图说明

图1是湿式TSA法的吸着/解吸原理说明图。

图2是本发明的第一实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置的基本流程图。

图3是本发明的第二实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置的基本流程图。

图4是饱和蒸气温度与加热空气的热函的比较图。

图5是说明基于饱和蒸气的温度的、蒸气以外的气体的混入率的图。

图6是本发明第二实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置的发泡模块板层叠单元的组装前的分解照片。

图7是本发明的第二实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置的“层叠净化/回收块”的组装前的部件图。

图8是本发明的第二实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置的“层叠净化/回收块”的组装后的图。

图9是本发明的第二实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置的“层叠净化/回收块”向转子端面模块板组装的组装照片。

图10是本发明第二实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置的“发泡模块板层叠单元结构”的二氧化碳分离回收浓缩装置便携式原型2号机、实施例2的样机的照片。

图11是本发明的第二实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置的中型规模扩大的构思图。

图12是集合配置了本发明的第二实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置的中型的大型二氧化碳分离回收浓缩设备的构思图。

图13是比较例1的干式TSA法实验概要说明图。

图14是比较例2的湿式TSA法实验概要说明图。

图15是比较例2的实验装置启动时的二氧化碳气体回收浓度和回收率的时间变化曲线图。

图16是比较例2的解吸侧循环路径的转子入口和出口的温度、以及处理空气的上升温度ΔT的曲线图。

图17是表示比较例2的处理流量：解吸侧循环流量比的影响的曲线图。

图18是在比较例2中提高蒸气输入来尝试提高性能的曲线图。

图19是在比较例2中按不同转子旋转角度的处理气体出口温度的分布曲线图。

图20是比较例2中按不同转子旋转角度的处理气体出口二氧化碳回收率曲线图。

图21是比较例3的、便携式原型试验样机1号机的照片。

图22是比较例3的试验机的解吸循环侧流量增加引起的性能影响与处理侧风速＝风量增加引起的性能提高效果的比较曲线图。

图23是第二实施方式实施例2的、卸下便携式原型试验样机2号机的近前侧“转子端面模块板”而能够看到“转子盒模块板”的照片。

图24是第二实施方式实施例2的试验装置启动后的回收率、回收浓度的上升状况曲线图。

图25是第二实施方式实施例2的试验装置启动后的处理出口二氧化碳浓度变化曲线图。

图26是第二实施方式实施例2的按不同转子旋转角度的处理侧出口二氧化碳浓度和回收浓度的曲线图。

图27表示第二实施方式实施例2的试验装置起动后的二氧化碳气体回收量的时间变化曲线图。

具体实施方式

以下，基于附图详细说明应用了本发明的实施方式。另外，在各附图中，标注相同附图标记的构件等是相同或类似的结构，适当省略对它们的重复说明。另外，在各附图中，适当省略对不需要说明的构件等的图示。

用于高性能化的处理吸着/解吸、回收、净化流程

为了提高性能，研究了将饱和蒸气温度提高到接近100℃的情况，考虑了吸着材料由于被带入到解吸区域的氧气而热/氧化劣化的现象的对策。本发明的第一实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置的基本流程如图2所示，将具有吸着二氧化碳气体的能力的转子1容纳在至少按照旋转方向的顺序具有处理气体区域4、回收区域5和解吸区域6的分别密封的壳体内并使其旋转。在处理气体区域4中，在转子湿润状态下，使其与含有二氧化碳气体的空气或混合气体接触而进行气化冷却，并且吸着二氧化碳气体，向解吸区域6导入饱和蒸气，利用蒸气的冷凝热使高浓度的二氧化碳气体解吸，使其出口气体通过回收区域5进行回收。

通过该流程，能够使氧气混入的风险为最小限度，因此能够抑制最高温的解吸区域中的吸着材料的氧化劣化，并且能够常用接近100℃的饱和蒸气，从而能够提高性能。另外，在回收区域5中，具有在解吸之前对蜂窝进行预热/热回收的能量效率提高效果，并且由于从回收气体侧来看二氧化碳气体的温度、蒸气量减少，因而用于回收的气体的水蒸气分离的冷却负荷也能够减少等优点很多。为了进一步提高节能性，回收区域5也能够在转子旋转的前段侧折返而增设成2段、3段。

作为进一步提高回收率、回收浓度、节能性的流程，发明了在所述回收区域和解吸区域的前后组合循环净化区域的第二实施方式图3的装置。本发明的第二实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置如图3所示，将具有吸着二氧化碳气体的能力的转子1至少按照旋转方向的顺序具有处理气体区域4、处理气体净化区域7、回收区域5、解吸区域6和解吸气体净化区域8，其是处理气体净化区域7和解吸气体净化区域8进行循环净化的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置。循环净化气体通过隔膜式等定容积型泵进行循环。

通过转子旋转，内包于蜂窝中而从处理气体区域带入的含有氧气的气体在处理气体净化区域7中被排出，该排气被导入到解吸气体净化区域8中，将内包于蜂窝中的解吸气体推出置换。置换后的解吸气体被循环导入到处理气体净化区域7。如上所述，通过在回收/解吸区域的前后相互置换蜂窝空隙中的气体，具有提高回收率、回收浓度、能量效率的效果。

廉价且高精度地实现复杂的流程结构的“层叠结构净化/回收块”

以往的各种分离浓缩装置包括回收、解吸、净化区域等，通常采用焊接的板金的类型，或者在小型设备中采用铸造制的腔室结构，各腔室都经过绝热处理，气体流路由外置管道构成流路，因此复杂的流路结构在实际应用中是不可行的。考虑了能够尽可能简单且高绝热、低成本地实现这种复杂的区域及流程结构的方法。提出将回收、解吸、净化等区域结构一体化的“层叠结构净化/回收块”结构。

“层叠结构净化/回收块”要求弹性、耐热性、密封性。材质根据耐热性或其他要求特性选定橡胶板的发泡倍率、材质等。例如将3～4mm以上的、根据装置的大小为5mm以上的厚度的硅橡胶发泡板(假设有一定程度的厚度、硬度，并表达为板)，如作为本发明的第二实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置的“层叠净化/回收块”的组装前的部件图的图7那样，在每一层制作各区域空间和连通路径。在进行该加工时，能够通过汤姆逊(Thomson)加工、激光加工、水喷射加工及其他现有的方法进行量产。另外，将来也能够发展为利用层叠各层而构成的3D打印机的制造方法。

在与转子端面接触而滑动的部分，例如贴合氟类树脂系的滑动摩擦小的片材。在其正下方的层中能够选定柔软追随性优异的软质的发泡橡胶层，在其最下层中可以选择硬质的发泡橡胶板。在为了规模扩大而需要刚性的情况下，在下层段由较硬的发泡橡胶板、树脂制发泡板构成。根据需要，也容易将激光切割后的金属等的板夹入其中间而进行加强。通过将这些各层的发泡橡胶板如图8那样层叠粘接，能够形成构成了各区域及必要的连通路径的“层叠构造净化/回收块”18。这样，具有复杂的复数个区域，并且高精度且低摩擦滑动性、密封效果、追随性也良好，不需要复杂的调整，能够确保耐热性、绝热性和耐久性，并且抑制成本。

另外，“层叠结构净化/回收块”即使是复杂的流程结构，也能够以低成本容易地装置化，因此，将回收区域5折返，在旋转方向的前段侧增设第二回收区域，通过两个阶段的气体的热回收预冷效果、蜂窝的余热效果，能够进一步提高节能性。

能够以低成本实现的高绝热结构的“模块板层叠单元结构”

在湿式TSA分离浓缩法(图1)中，与以往产品相比，各段要求较高的绝热性。其原因在于，如图4所示，接近100℃的饱和蒸气具有相同温度的空气、二氧化碳气体的几百倍的热函。另外，由图5可知，在100℃的饱和水蒸气中，水蒸气为100％，但在80℃下，水蒸气以外的气体的混入率为50％。由此，认为使饱和蒸气温度尽可能接近100℃是用于热/氧化劣化对策和高浓度回收的必要条件。另外，从图4可知，仅从饱和蒸气100℃降低数度就产生巨大的能量损失，因此需要高绝热性。因此，考虑了能够以低成本实现高绝热的“模块板层叠单元结构”。

“模块板层叠单元结构”通过在复数个发泡板上分别加工构成结构设备的设置空间及气体的流通路，组装结构设备，将各个模块板层叠组装，从而作为二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置而完成。具体地说，如作为本发明的第二实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置的发泡模块板层叠单元的组装前的分解照片的图6所示，是将“转子盒模块板”14、“转子端面模块板”的前15后16和“送风系统模块板”17层叠组装而一体化的方法，该“转子盒模块板”14是将具有吸着二氧化碳气体的能力的蜂窝转子1和驱动系统组装于发泡板而成的，该“转子端面模块板”的前15后16是在以密封滑动的方式支承转子轴及两端面的发泡板上分别组装上述“层叠结构净化/回收块”18而成的，该“层叠结构净化/回收块”18是利用构成流路空间的复数个耐热性发泡橡胶板等进行层叠并在滑动面上贴合并层叠含有玻璃纤维的氟类树脂系的滑动材料而成的，该“送风系统模块板”17组装有处理气体送风机。

小型锅炉、循环泵在任意的模块板上构成空间而组装。“层叠结构净化/回收块”18从“转子端面模块板”的转子端面滑动接触面稍微突出压接量而设置时，区域块的向转子端面的追随性密封性提高，因此更优选，维护更换、调整也很容易。

如图9(本发明的第二实施方式的二氧化碳气体分离浓缩装置和/或空调装置的“层叠净化/回收块”向转子端面模块板组装的组装照片)所示，将如上所述由发泡橡胶层叠结构形成的“层叠结构净化/回收块”18组装到由发泡聚苯乙烯板等制成的前后“转子端面模块板”15、16上，并设置外周密封件。进而，将“转子盒模块板”14和“送风系统模块板”17以15、14、16、17的顺序层叠一体化，完成“模块板层叠单元构造”。

“模块板层叠单元构造”根据图10，能够实现兼具低成本化和高隔热性、柔软密封性、节能性的装置。为了经得住搬运、室外使用，另外从设计性的必要性出发，用彩色钢板等贴合、或者覆盖层叠单元的外装也在设计的范围内。

本发明装置的“模块板层叠单元构造”如上所述，选定符合所需部位的要求特性的材质的隔热性发泡板，分别抽取所需部位并装入构成部件而模块化，分别将各个模块板层叠而将装置整体一体化构成，因此不需要制罐加工、焊接部的防漏密封、防锈涂装，通过简单的组装就能够确保充分的隔热性，也能够应对从少量生产到大量生产，能够大幅降低成本。

以蜂窝转子式对本发明进行说明。构成为使用在由无机纤维片材、或金属片材、或塑料片材等制成的蜂窝上担载有具有粒径1mm以下的胺基的吸着材料等的转子1，如图3所示，按照转子的旋转方向的顺序，经过处理气体区域4、处理气体净化区域7、回收区域5、解吸区域6、解吸气体净化区域8，再次返回处理气体区域4。在更简单的结构中，也可以如先前发明的图2那样省略各气体净化区域7、8的流程。另外，除了蜂窝以外，也可以使用层叠有分散地粘接有粒状吸附材料的片的吸附体，转子也能够不是圆盘型而是圆筒型。

利用图3对从外部气体、空调空气中回收二氧化碳气体的例子进行说明。

处理气体为大气或空调空气，因此不需要特别的前处理，只要具有一般空调机所采用的粗尘过滤器程度即可。例如，使外部气体通过处理气体区域4，使蜂窝转子1吸着二氧化碳气体，用送风机排气。该排气的二氧化碳气体浓度比外部气体低，因此，若用于室内空调，则还能够期待降低换气负荷、提高智能生产率的效果。吸着了二氧化碳气体的转子旋转移动到处理气体净化区域7，用来自解吸气体净化区域8的气体进行净化，并旋转移动到下一个回收区域5。在回收区域5中，导入解吸区域6的出口气体，将通过的气体作为高浓度二氧化碳气体进行回收。

解吸区域6的出口气体为高浓度二氧化碳气体和饱和蒸气的混合气体，该混合气体通过回收区域5而回收。由此，能够进一步降低向解吸区域6混入氧气的风险，并且具有蜂窝在解吸之前被所通过的气体预热的热回收效果，以及从回收气体侧观察，则被预冷，能够削减后续工序中的水蒸气冷却分离能量负荷。

当蜂窝从回收区域5旋转到解吸区域6时，导入接近100℃的饱和蒸气。通过蒸气的冷凝热，吸着在蜂窝上的二氧化碳气体被解吸，同时水蒸气冷凝。由于预先在回收区域5中利用解吸区域6的出口气体通过回收，将混入氧气除去，因此即使在解吸区域6中导入接近100℃的饱和蒸气，也可抑制吸着材料的热氧化劣化。

蜂窝从解吸区域6旋转移动到解吸气体净化区域8，蜂窝空隙中所含的解吸气体和饱和蒸气的混合气体被净化。用于净化的气体是在上述处理气体净化区域7中被净化并循环的处理气体主体的气体。在解吸气体净化区域8被净化的解吸气体主体的气体向上述处理气体净化区域7循环。

如图2所示，可以省略上述的循环气体净化区域7、8，此时，在回收气体中混入来自处理气体区域的空气而降低二氧化碳浓度，但在植物工厂等中再利用的情况下没有问题。

在没有循环气体净化区域7、8的情况下，解吸了二氧化碳气体的蜂窝接下来旋转移动到处理气体区域4。刚移动后的蜂窝的温度仍然很高，但由于表面被冷凝水覆盖，所以不直接与含有氧气的空气接触，利用冷凝水的蒸发潜热被立即冷却，避免了热氧化劣化。被蒸发潜热冷却的转子开始吸着二氧化碳气体，吸着热由冷凝水的蒸发潜热被冷却除去，因此温度上升被抑制，进行有效的吸着。这样，湿式TSA法在吸着时交换二氧化碳气体的吸着热和水的气化热，在解吸时交换二氧化碳气体的解吸热和水蒸气的冷凝热，并且能够有效地分离浓缩二氧化碳气体。

关于中型化，将图10规模扩大，如图11所示，能够实现送风功能、解吸回收功能也一体化的中型单元。在进一步大型化的情况下，如图12所示，由于轻量的特征，进行多个组合也很容易。

在从烟道气体等回收二氧化碳气体的情况下，由于烟道气体为高温高湿度，还含有硫氧化物、氮氧化物、粉尘等污染气体，因此设置脱硝装置、湿式洗涤器、脱硫装置、袋式过滤器等前处理装置，对有害的气体、粉尘进行除去处理，成为处理气体。前处理后的处理气体对于吸着来说还是高温多湿的，因此优选冷却减湿。

在沸石系中，必须减湿至负露点温度，但在湿式TSA法中，可以是全年的外部气体温湿度左右，也有在专利文献9公开的旋转型全热交换器中与外部气体进行全热交换而降低温湿度的方法，在该方法中，运行成本增加很少，初始成本也被抑制得较低。其他方面与将外部气体、空调空气作为处理气体的情况相同，但由于来自烟道等的处理气体的二氧化碳气体浓度高，因此可以专门设计各自的区域比。

[实施研究的经过]

对于利用低温排热进行二氧化碳气体的分离浓缩，解吸温度高的沸石系是不合理的，胺系是有希望的，但由于容易热/氧化劣化，因此解吸温度有限制。各研究机构、各研究者研究了耐热/耐氧化性吸着材料，但在装置、运用方法方面还期望技术突破。在专利文献11、12中介绍了解决对策，但在利用非活性气体进行净化的方法中，净化气体及净化气体供给设备花费成本，存在因非活性气体的混入而导致回收浓度降低的问题。

虽然在专利文献13中也提出了用真空泵抽出含有氧气的气体的旋转式装置，但这种方法也增加了装置的强度、真空泵的初始和运行成本，并引入了大气和真空切换密封结构，而且在规模化和降低成本等方面也存在许多难题。

[比较例1]

图13表示利用以往的干式TSA法进行的大气中二氧化碳气体分离回收试验例。蜂窝转子12是将玻璃纤维等无机纤维主体的多孔质纸波纹加工成间距3.0mm、高度2.0mm，将其卷绕，浸渍混合了粒度分布0.02～0.1mm的胺系弱碱性离子交换树脂微粉和耐热耐水性的粘合剂的涂敷液，干燥后进行磨削加工，得到含有50重量％所述微粉的体积比重为150kg/m³、宽度为Φ200mm×200mm的蜂窝转子12。

二氧化碳气体浓度测定为非分散型红外线式(NDIR)，使用了测定浓度0～10000ppm。试验条件为，处理区域与解吸区域比及通过流量比为1：1，处理气体通过风速为2m/S。处理气体侧和解吸侧均为相同的外部气体，解吸侧加热至55℃后导入解吸区域。该温度是为了避免离子交换树脂的热氧化劣化，但实验的结果表明，在该条件下也会劣化。

在干式TSA法中，使空气通过处理气体区域的蜂窝时，由于从解吸区域带入的蓄热、二氧化碳气体的吸着热和水蒸气的吸附热，入口空气温度为18.9℃，在出口处上升到42.2℃，二氧化碳气体回收率为45％，回收侧二氧化碳气体浓度为710ppm。这种利用低温加热空气的再生，为了用风量补充解吸能量，需要大量的解吸空气，高浓度浓缩是不可能的。

另外，处理气体为外部气体，因此二氧化碳气体浓度低，认为由于通过处理气体区域而导致的温度上升Δt＝23.3℃的主体是水蒸气的吸附热。二氧化碳气体回收率为45％，但当处理气体为烟道气体等二氧化碳气体浓度10％左右的高浓度时，会产生巨大的二氧化碳气体吸着热，因此不能期望这样的除去率。如专利文献4所述，如果不一边冷却处理气体一边使其多次循环，则无法提高回收率，而且在100℃左右的解吸温度下是不可能的。

因此，发明开发了湿式TSA法。如图1的上图所示，在解吸区域中导入饱和蒸气，利用水蒸气的冷凝热来解吸二氧化碳，蜂窝在被冷凝水湿润的状态下旋转移动到处理气体区域。在使含有二氧化碳的气体在处理气体区域中流动而使蜂窝吸着二氧化碳气体时，在干式TSA法中，由于二氧化碳气体、水蒸气的吸着热，吸着材料、原料气体的温度上升，从而二氧化碳气体吸着量减少，但在湿式TSA法中，如图1的下图所示，由于二氧化碳气体的吸着而产生的吸着热通过同时进行的蜂窝表面的冷凝水的蒸发冷却而被除去，从而蜂窝、原料气体的温度上升被抑制，能够高效率地吸着二氧化碳气体。

由于接近100℃的饱和蒸气具有相同的100℃的加热空气、二氧化碳气体的100倍以上的热函，因此，不需要如专利文献1那样为了使二氧化碳气体解吸而一边多次再加热二氧化碳气体一边使其循环。另外，由于热容量巨大的饱和蒸气所需的导入容积少，所以解吸区域变小，转子也能够小型化。导入解吸区域的饱和蒸气因蜂窝的加热及二氧化碳气体的解吸热的供给而冷却，并冷凝于蜂窝及吸着材料表面。

刚移动到处理气体区域后的蜂窝及吸着材料因上述的理由而濡湿，但当处理气体流入时，由于水分的蒸发冷却现象而被强力冷却，开始吸着二氧化碳气体。为了利用处理气体的蒸发冷却效果，优选对处理气体进行冷却减湿，但不需要如使用合成沸石的情况那样除湿至负露点，在外部气体的温湿度范围内即可。

在湿式TSA法中，由于蜂窝在水中濡湿，所以通过处理气体的气化冷却现象，吸着热变换为冷凝水的气化热而被有效地冷却，能够维持高的吸着性能。即，相对于被认为是二氧化碳气体的吸着热的标准的气化潜热369.9kJ/kg～升华潜热573kJ/kg，水的气化潜热为2500kJ/kg，因此，计算为通过附着或吸收在蜂窝及吸着材料中的水1kg的蒸发，能够除去二氧化碳气体约4～5kg量的吸着热。

进一步具有耐久性提高的效果。固体胺系二氧化碳吸着材料、胺系离子交换树脂如果没有氧气，则耐热性有时可耐受到100℃，但在空气中干燥的状态下，有时即使在40℃左右也会明显劣化。离子交换树脂在水合状态下耐久性较高，对于其他的胺系吸着材料也可认为是同样的。认为在本发明的方法中，即使全部工序在湿式的水合状态下运用，耐久性也能提高。

吸着时的温度上升因冷凝水的气化冷却现象而被抑制得较低。解吸区域达到60～100℃，但以二氧化碳气体和饱和蒸气为主体，几乎没有氧气，再次刚旋转移动到处理区域4后的高温时，吸着材料表面被冷凝水覆盖，避免与氧气直接接触，通过冷凝水的气化冷却现象被迅速地冷却，因此防止氧化劣化，耐久性提高。

在专利文献9的湿式TSA法中，公开了一种在使解吸的二氧化碳气体循环至解吸区域的同时混入饱和蒸气来抑制氧气浓度，并且还抑制解吸温度从而抑制热氧化劣化的方法。例如，已知在研究过用于二氧化碳吸着的弱碱性离子交换树脂的情况下，与干燥状态相比，水合状态更稳定，并且认为在其他的胺系吸着材料中水合状态也更稳定，并且实验也证实了这种趋势。但是，在比较例2中进行了说明，在该方法中，由于解吸循环路径的二氧化碳气体的分压比较高，解吸温度也为80℃左右，因此回收浓度以百分之几左右为界限，认为在提高回收浓度方面还需要进一步技术突破。

[比较例2]

接着，图14表示湿式TSA法实验装置的比较例。其是在湿式TSA法中，利用水蒸气的冷凝热来解吸二氧化碳气体，在二氧化碳气体的吸着时利用冷凝水的蒸发潜热来除去吸着热，从而使回收率及回收浓度飞跃性地提高的方法。处理气体使用外部气体。由于回收气体在高湿度下会成为高浓度，因此二氧化碳气体浓度计使用液相、气相均能够测定的隔膜式电极法，测定浓度在0.1～100％的二氧化碳气体浓度计。处理气体侧的二氧化碳气体浓度使用非分散型红外线式(NDIR)，测定浓度在0～10000ppm。

试验转子是与比较例1相同种类、相同样式的转子。如图14所示，由于解吸侧使用了高能量密度的饱和蒸气，所以解吸区域小得多，处理气体与解吸区域之比为10：1。处理气体侧的通过风速为2m/S，为相同条件。在解吸侧，使回收的含有二氧化碳的气体循环，并且导入100℃的饱和蒸气并混合，调整至80℃左右，导入解吸区域。

图15～16表示实验数据。图15是装置启动时的二氧化碳气体回收浓度和回收率的时间变化的曲线图。启动后的回收率在1～2小时、回收气体浓度在3小时左右达到平衡状态。图16表示解吸侧循环路径的转子入口和出口的温度。入口出口的温度差为10℃以下，该能量差通过从蒸气加湿器导入100℃的饱和蒸气来供给。处理侧空气的温度上升、即入口/出口温度差为湿式TSA法的气化冷却效果，到实验结束为止仅为1℃以下。回收气体浓度为2～3％，远高于比较例1，在4个月左右的实验中未观察到可检测的性能劣化。

图17是固定解吸回收循环侧的流量，调查了由处理流量增减引起的二氧化碳气体回收率与回收浓度的关系。对于提高回收浓度，认为增加处理侧流量较好，但效果有限，回收率减少。可知在要求除去率＝回收率的情况下，减少处理侧流量比较好这一权衡关系。

图18是在相同的实验装置中，尝试了提高蒸气输入来使二氧化碳气体回收率和浓缩浓度提高。为了避免吸着材料的劣化，操作解吸侧循环气体量和转子转速，将解吸温度调整为80℃左右。回收率为50～70％，高于比较例1的干式TSA法。提高蒸气输入并调整转子转速从而二氧化碳气体回收率提高，但回收浓度提高效果小。可见，提高回收浓度还需要进一步技术突破。

图19～20是测定处理气体出口的温度及二氧化碳气体回收率的按不同转子旋转角度分布的图。图19的3条线表示3次的测定结果，但刚从解吸区域旋转到处理气体区域后的部位出口温度也高，在图20中相同部位的回收率大幅为负。即，由于二氧化碳气体浓度比处理气体高，所以观测到由转子旋转引起的从解吸区域向处理气体区域的解吸气体的转移流出。为了提高二氧化碳气体回收率需要研究气体净化，这一点也暗示了需要对空气从处理区域转移流入回收/解吸区域而减少回收浓度下功夫。

[比较例3]

对设想的将从空调空气、大气中除去并降低了二氧化碳气体的空气用于空调空气，将回收浓缩后的二氧化碳气体供给到植物工厂的促进蔬菜生长用的便携式二氧化碳气体分离浓缩装置的原型1号机(图21)进行试制试验。

考虑到可携带性，试验转子为Φ300×50mm宽。蜂窝尺寸与实施例1、2相同，含浸有胺系吸着材料。区域结构与实施例2大致相同，由于压力损失低，所以处理气体侧采用轴流型排气风扇。解吸侧由风量可变型的小型鼓风机构成循环路径。蒸气则构成为，重新利用家庭用蒸汽清洁器的锅炉部件，将产生的蒸气导入循环路径，回收来自循环路径的气体。

试验结果如图22所示。该图表示通过调整解吸循环气体量及处理侧风量对二氧化碳气体浓度的影响。增加解吸循环气体量时，二氧化碳气体回收浓度降低。认为这是因为，通过将再循环气体量增加到必要以上，差压增加，导致气体泄漏增加。处理风量的影响通过将处理风扇设为2台，从风量269CMH(1.33m/S)增加到356CMH(1.76m/S)来确认。虽然有一些提高回收浓度的效果，但前景可见，从该结果可知，为了实用化还需要进一步技术突破。

[实施例1]

对设想的将利用与比较例2、3相同的湿式TSA法从空调空气、大气中除去了二氧化碳气体的空气用于空调空气，将回收浓缩的二氧化碳气体供给到植物工厂等的促进蔬菜生长用的便携式二氧化碳气体分离浓缩装置的原型2号机进行试制试验。转子与比较例3相同。

在比较例2、3中，回收率、回收浓度均受到限制，研究并采用了能够将100℃的饱和蒸气直接投入解吸区域的方法。如图2所示，构成为按照转子的旋转方向的顺序，经过处理气体区域4、回收区域5、解吸区域6再次返回到处理气体区域4。将接近100℃的饱和蒸气导入解吸区域6，利用饱和蒸气的冷凝热将二氧化碳气体进行解吸，将该解吸气体导入旋转方向前段的回收区域5并使其通过而进行回收。

在实施例1的试制试验中，由于发泡板的耐热不足而发生变形、泄漏，作为对策研究的结果，发明了“层叠结构净化/回收块”。“层叠结构净化/回收块”即使是复杂的净化、流程结构，也能够以低成本高精度地制作，因此发展为进一步提高回收性能、浓缩性能、节能性的发明、实施例2。为了加快研究开发，中断实施例1的性能试验，使实施例2优先，因此不采集试验数据。

[实施例2]

如图3所示，构成为按照转子的旋转方向的顺序，经过处理气体区域4、处理气体净化区域7、回收区域5、解吸区域6、解吸气体净化区域8，再次返回到处理气体区域4。将接近100℃的饱和蒸气导入解吸区域，利用饱和蒸气的冷凝热将二氧化碳气体进行解吸，将该解吸气体导入旋转方向前段的回收区域5并使其通过而进行回收。

通过转子旋转，内包于蜂窝的处理气体向处理气体净化区域7移动，但用来自解吸气体净化区域8的气体对处理气体进行净化，即使如此也有可能混入的氧气在回收区域5通过解吸区域6的出口气体而回收，防止氧气混入到变为最高温的解吸区域6，即使投入接近100℃的饱和蒸气，也能防止氧化劣化。

通过了回收区域的解吸出口气体、即二氧化碳气体和饱和水蒸气的混合气体，从蜂窝侧来看，具有从通过了回收区域的气体进行热回收而对蜂窝进行余热的效果，同时，从回收气体侧来看，还具有通过除去刚解吸后的气体的潜热，降低回收后的回收气体的水蒸气分离负荷，使系统整体的能量效率提高的效果。另外，通过处理气体净化区域7及解吸气体净化区域8的气体交换，提高二氧化碳气体回收率及回收浓度、以及节能效果也进一步提高。

图10表示便携式试制2号机的组装照片。转子与比较例3相同。从该图的开口部吸引处理空气，利用设置在里侧的41W的风扇进行排气。50mm宽的蜂窝转子的压力损失小，因此轴流式的换气风扇就足够，风速为3.4m/S，风量为7.3CMM。

作为提高二氧化碳气体的回收率、回收浓度、节能性、低成本化的手段，便携式试制2号机采用发明的“发泡模块板层叠单元结构”进行了试制。图6的照片中示出了“转子盒模块板”16、前后“转子端面模块板”15、16以及“送风系统模块板”17等的组装前(实施例2)，其中，该“转子盒模块板”16由发泡板形成作为二氧化碳气体分离浓缩的芯部的转子、外壳以及转子驱动装置，该前后“转子端面模块板”15、16在以密封滑动的方式对转子轴心及两端面进行支承的发泡板上组装“层叠净化/回收块”18而构成流路，该“送风系统模块板”17内置有处理气体送风机、净化空气泵。小型锅炉横跨复数个模块板而构成并内置有安装空间。将各模块板层叠组装成一体即成为图10照片的装置。

图23是试制2号机的、卸下近前的“转子端面模块板”15而能够看到“转子盒模块板”14的照片(实施例2)。试制2号机制作成50mm宽的转子用，但如果将发泡板替换成较厚的部件或重叠多层，则也容易对应宽转子的选择。在右上有4W的转子驱动电动机，在转子的斜下方有1kw的小型锅炉和供水箱，但由于全部埋入绝热板中，所以绝热性高。

构成回收区域5、解吸区域6及各净化区域7、8的“层叠净化/回收块”18需要耐热性、绝热性及柔软弹性、密封性、滑动性、耐磨损性，因此，在该实施例2中，通过使用发泡硅橡胶板，如图7所示那样分别制作切割板，为各区域切割出空间，以及在各区域空间构成连通路径，最下层没有切割而设置有气体的入口、出口管的底板等，然后通过硅胶填缝如图8的照片那样将“层叠净化/回收块”18粘接一体化，如图9照片那样组装到“转子端面模块板”15、16中。另外，在转子端面滑动的表层，贴合耐热性、滑动性及耐磨损性优异的玻璃布增强氟树脂片材，确保密封性和滑动性。

蒸气锅炉10重新利用家庭用蒸气清洁器1kW的部件。以350cc的容积能够产生约10分钟的蒸气，但设置增设供水箱来确保15分钟以上的运转时间。在连续运转的情况下，可以是来自自来水、多罐的自动供水式。

在图6照片的送风系统模块板17中内置净化用空气泵11，连接向净化区域的循环管。

图24示出了装置起动后的上升状况。在比较例2的图15中，在蒸气加湿器余热后开始采集数据，回收率的稳定需要1小时，到回收浓度2.5％为止需要3小时，与此相对，在实施例1的图24中，尽管有从锅炉的水温开始的上升时间，但在启动后3分钟左右，回收率达到45％，回收浓度在15分钟左右达到50％浓度。可知，与比较例2相比，明显地升温速度更快，也就是说热效率优异。由于接触气体部、主体为高绝热且热容量也少，因此伴随装置的起动、停止的热损失少，容易频繁地起动停止也是较大的特征。

比较例2、3都有设想之外的结露水从试验装置流出，但在实施例2中，除二氧化碳气体回收管以外也没有产生结露水。因此，几乎消除了由绝热性、装置的余热引起的热损失。

图25表示起动后的处理出口二氧化碳气体浓度的变化。可知440ppm左右的外部气体在2～3分钟的运转中变为250ppm左右，之后能够稳定地供给。如果将该空气用于空调用，则能够提高节能性，也能够期待智能生产率效果。回收率为45％左右，但转子宽度为50mm宽度，处理侧流速为3.3m/S。与此相对，考虑到干式TSA法的比较例1在200mm宽度、2m/S下为相同程度的除去率数据，则能够理解湿式TSA法的优越性。

图26是不同处理区域出口的旋转角度的二氧化碳气体浓度的测定数据。还示出了通过从外部气体浓度减去处理出口浓度而获得的回收(除去)浓度。即使在刚从解吸气体净化区域向处理区域旋转后的点，二氧化碳气体浓度也足够低，未观察到比较例2那样的高于处理气体浓度的二氧化碳气体浓度，因此确认了循环净化区域的效果。

图27表示起动后的二氧化碳气体回收量的推移。在3分钟左右达到平衡状态，二氧化碳气体回收量以0.9升/分钟大致稳定。这些数据在各参数的最优化过程中获得的，包括转子转速、净化气体流量的最优化，在过程中的状态下回收浓度曾达50％，在实验的过程中也曾测定到100％浓度，因此认为如果使参数最优化，则接近100％的浓度也是可能的。

产业上的可利用性

本发明涉及一种能够以高回收率高浓度地进行浓缩、耐久性高、能够利用100℃左右的排热、能量效率良好、价格低廉且容易紧凑化的湿式TSA法二氧化碳气体分离浓缩装置。不仅是烟道气体，从大气、空调空气中也能够分离浓缩回收二氧化碳气体，因此能够将降低了二氧化碳气体浓度的空气用于空调换气，并且将回收的高浓度二氧化碳气体供给到植物工场等，有助于提高蔬菜的生产率。

附图标记的说明

1 二氧化碳吸着蜂窝转子

2 转子驱动电动机

3 转子驱动带

4 处理气体区域

5 回收区域

6 解吸区域

7 处理气体净化区域

8 解吸气体净化区域

9 处理气体风扇

10 蒸气锅炉

11 净化泵

12 空气加热器

13 鼓风机

14 转子盒模块板

15 前转子端面模块板

16 后转子端面模块板

17 送风系统模块板

18 层叠净化/回收块

Claims (5)

1.一种能将处理出口空气进行空调供气的二氧化碳气体分离浓缩装置，其中，

将具有吸附二氧化碳气体的能力的转子容纳在至少按照转子的旋转方向的顺序依次具有处理气体区域、形成于不产生结露水的高绝热性结构的层叠结构净化/回收块的回收区域和解吸区域的分别密封的壳体内并使所述转子旋转，

在处理气体区域中，在转子湿润状态下，使所述转子与含有二氧化碳气体的空气或混合气体接触而进行气化冷却，并且吸着二氧化碳气体，向解吸区域导入接近100℃的饱和蒸气，从而利用蒸气的冷凝热使高浓度的二氧化碳气体解吸，并通过回收区域进行回收。

2.一种能将处理出口空气进行空调供气的二氧化碳气体分离浓缩装置，其中，

将具有吸附二氧化碳气体的能力的转子容纳在至少按照旋转方向的顺序依次具有处理气体区域、形成于不产生结露水的高绝热性结构的层叠结构净化/回收块的处理气体净化区域、回收区域、解吸区域和解吸气体净化区域的分别密封的壳体内并使所述转子旋转，

在处理气体区域中，在转子湿润状态下，使所述转子与含有二氧化碳气体的空气或混合气体接触而进行气化冷却，并且吸着二氧化碳气体，处理气体净化区域和解吸气体净化区域进行循环净化，向解吸区域导入接近100℃的饱和蒸气，从而利用蒸气的冷凝热使高浓度的二氧化碳气体解吸，并通过回收区域进行回收。

3.根据权利要求1或2所述的能将处理出口空气进行空调供气的二氧化碳气体分离浓缩装置，其中，

含有二氧化碳的混合气体为大气或空调空气，将从处理气体区域出来的空气供空调用，将从回收区域出来的二氧化碳气体进行回收。

4.根据权利要求1或2所述的能将处理出口空气进行空调供气的二氧化碳气体分离浓缩装置，其中，

将转子盒模块板、转子端面模块板的前后和送风系统模块板层叠组装而一体化，所述转子盒模块板是将蜂窝转子和由驱动电动机及驱动带构成的驱动系统组装于发泡板而成的，所述转子端面模块板的前后是将由具有解吸、回收、净化流路等空间和连通路径的复数个耐热性发泡橡胶板等构成的层叠结构净化/回收块分别组装在保持转子轴并以密封滑动的方式支承转子的两端面的发泡板上而成的，所述送风系统模块板组装有处理气体送风机。

5.根据权利要求1或2所述的能将处理出口空气进行空调供气的二氧化碳气体分离浓缩装置，其中，

所述二氧化碳气体分离浓缩装置组装有层叠结构净化/回收块，所述层叠结构净化/回收块是将具有或不具有各区域空间的扇形片材层叠的层叠结构，在层叠结构净化/回收块中，与转子端面相接的滑动面为耐热耐磨损性的滑动片材，下层为发泡橡胶片材层，再下层为设有各区域间的连通路径的发泡橡胶片材层或发泡板层，最下层为不具有区域空间的绝热板，将它们层叠粘接从而块化，并在外周部或底面设有蒸气导入部和解吸气体回收部。