JP2015181964A - 二酸化炭素分離回収システム - Google Patents

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Abstract

【課題】少ないエネルギーで生成可能な低温・負圧の水蒸気を利用して吸着材を再生でき、かつ、差圧保持装置が不要な二酸化炭素分離回収システムを提供する。【解決手段】二酸化炭素分離回収システム１Ａは、吸着塔２、再生塔３および乾燥塔４を含む。吸着塔２では、対象ガスを吸着剤に接触させて吸着剤に対象ガス中の二酸化炭素を吸着させる。再生塔３では、二酸化炭素と水蒸気の混合ガスである常圧のウエットガスを二酸化炭素吸着後の吸着剤に接触させて吸着剤から二酸化炭素を放出させる。乾燥塔４では、吸着剤が乾燥させられる。さらに、二酸化炭素分離回収システム１Ａは、二酸化炭素を圧縮する圧縮機５１と、圧縮機５１から吐出された二酸化炭素を、負圧の水蒸気を吸引しながら膨張させることによって前記ウエットガスを生成するエジェクタ５３を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、吸着剤を用いて対象ガス中の二酸化炭素を分離および回収する二酸化炭素分離回収システムに関する。
従来から、吸着剤を用いて対象ガス中の二酸化炭素を分離および回収する二酸化炭素分離回収システムが知られている。例えば、特許文献１には、図３に示すような二酸化炭素分離回収システム１００が開示されている。
具体的に、二酸化炭素分離回収システム１００では、吸着材が、ホッパー１１０、吸着塔１２０、再生塔１３０、乾燥塔１４０、冷却塔１５０の順に移送される。また、吸着剤は、コンベヤ１６０により冷却塔１５０からホッパー１１０へ戻される。
吸着塔１２０では、対象ガスが吸着材と接触させられ、対象ガス中の二酸化炭素が吸着材に吸着される。再生塔１３０には乾燥塔１４０から水蒸気が供給され、その水蒸気が二酸化炭素吸着後の吸着材に凝縮することによって、吸着材から二酸化炭素が放出される。放出された二酸化炭素は、二酸化炭素回収路１３５を通じて回収ポンプ１７０に吸引され、回収ポンプ１７０で圧縮された後に二酸化炭素ホルダ１８０に貯留される。
乾燥塔１４０は、間接加熱により吸着材に付着した凝縮水を蒸発させる。凝縮水の蒸発に由来する水蒸気は、再生用の水蒸気として再生塔１３０に供給される。例えば、乾燥塔１４０には、熱媒体として、ゲージ圧で負圧（絶対圧で約２０ｋＰａ）の飽和水蒸気（例えば、６０℃）が供給される。
乾燥塔１４０および再生塔１３０は連続したタンクで構成されているので、乾燥塔１４０および再生塔１４０内は、回収ポンプ１７０の吸引によって、熱媒体によって凝縮水が蒸発し得る圧力（例えば、約２０ｋＰａ）に調整される。このため、吸着塔１２０と再生塔１３０の間および乾燥塔１４０と冷却塔１５０の間には、大気圧に対する圧力差を保つための差圧保持装置（例えば、ロックホッパ）が設けられる。
特開２０１３−１２１５６２号公報
図３に示す二酸化炭素分離回収システム１００で乾燥用の熱媒体として負圧の飽和水蒸気が用いられている理由は、少ないエネルギー（例えば、種々の設備からの１００℃未満の廃熱）で吸着材再生用の水蒸気を生成するためである。しかしながら、負圧の飽和水蒸気を用いた場合には、上述したように差圧保持装置が必要になる。
そこで、本発明は、少ないエネルギーで生成可能な低温（１００℃未満）・負圧の水蒸気を利用して吸着材を再生でき、かつ、差圧保持装置が不要な二酸化炭素分離回収システムを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の二酸化炭素分離回収システムは、吸着剤を用いて対象ガス中の二酸化炭素を分離および回収する二酸化炭素分離回収システムであって、前記対象ガスを前記吸着剤に接触させて前記吸着剤に前記対象ガス中の二酸化炭素を吸着させ、二酸化炭素が除去された前記対象ガスを排出する吸着塔と、二酸化炭素を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された二酸化炭素を、負圧の水蒸気を吸引しながら膨張させることによって常圧のウエットガスを生成するエジェクタと、前記エジェクタから流出する前記ウエットガスを二酸化炭素吸着後の前記吸着剤に接触させて前記吸着剤から二酸化炭素を放出させ、放出された二酸化炭素を排出する再生塔と、前記ウエットガスと接触後の前記吸着剤を乾燥させる乾燥塔と、を備えることを特徴とする。
ここで、「常圧のウエットガス」とは、大気圧と実質的に等しい圧力（例えば、大気圧から±５％の範囲内の圧力）を有するウエットガスをいう。
上記の構成によれば、常圧のウエットガスが再生塔に供給されるので、大気圧に対する差圧保持装置が不要である。しかも、そのウエットガスはエジェクタによって生成される。エジェクタは負圧の水蒸気を吸引するため、少ないエネルギーで生成可能な低温・負圧の水蒸気を利用して吸着材再生用のウエットガスを生成することができる。その上、エジェクタに吸引される水蒸気が１００℃未満であっても、その水蒸気に圧縮機で圧縮された高温の二酸化炭素が混合されるため、１００℃以上のウエットガスを容易に生成することができる。また、ウエットガス中の水蒸気以外の成分は二酸化炭素であるので、再生塔からは高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
上記の二酸化炭素分離回収システムは、前記再生塔から排出される二酸化炭素の一部を前記圧縮機へ導く還流路をさらに備えてもよい。この構成によれば、再生塔からの廃熱をウエットガスの生成に合理的に利用することができる。
本発明によれば、少ないエネルギーで生成可能な低温・負圧の水蒸気を利用して吸着材を再生でき、かつ、差圧保持装置が不要な二酸化炭素分離回収システムを提供できる。
本発明の第１実施形態に係る二酸化炭素分離回収システムの概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る二酸化炭素分離回収システムの概略構成図である。 従来の二酸化炭素分離回収システムの概略構成図である。
本発明の二酸化炭素分離回収システムは、吸着材を用いて対象ガス中の二酸化炭素を分離および回収するものである。対象ガスは、例えば、燃焼排ガスである。吸着材は、例えば、アミン化合物を担持する多孔性物質である。多孔性物質としては、活性炭、活性アルミナなどを用いることができる。以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る二酸化炭素分離システム１Ａを示す。この二酸化炭素分離回収システム１Ａは、吸着材が、吸着塔２、再生塔３、乾燥塔４の順に移送される移動層方式のシステムである。吸着材は、図略のコンベヤなどにより乾燥塔４から吸着塔２へ戻される。
本実施形態では、吸着塔２、再生塔３および乾燥塔４が上から下へこの順に並べられている。例えば、吸着塔２、再生塔３および乾燥塔４のそれぞれは単一のタンクで構成される。そして、吸着塔２から再生塔３への吸着材の移送、および再生塔３から乾燥塔４への吸着剤の移送は、例えば、重力によって連続的に行われる。
ただし、吸着塔２、再生塔３および乾燥塔４の構成は適宜変更可能である。例えば、吸着塔２、再生塔３および乾燥塔４のうちの２つまたは全てが連続したタンクで構成されていてもよい。また、吸着塔２、再生塔３および乾燥塔４は、独立して横方向に並んでいて、コンベヤによって吸着材が吸着塔２、再生塔３、乾燥塔４の順に移送されてもよい。
吸着塔２は、対象ガスを吸着材に接触させるものである。具体的に、吸着塔２の下部には対象ガス供給路２１が接続されており、吸着塔２の上部には対象ガス排出路２２が接続されている。吸着塔２には、対象ガス供給路２１を通じて対象ガスが供給される。これにより、対象ガス中の二酸化炭素が吸着材に吸着される。二酸化炭素が除去された対象ガスは、対象ガス排出路２２を通じて排出される。二酸化炭素吸着後の吸着材は、再生塔３へ移送される。
一例として、吸着塔２へ投入されるときの吸着材の温度は約４０℃であり、吸着塔２に供給される対象ガスの温度は約３５℃である。吸着材の温度は、吸着材が二酸化炭素を吸着することによって、若干上昇する（例えば、約６０℃）。
再生塔３は、ウエットガスを吸着材に接触させるものである。具体的に、再生塔３の下部にはウエットガス供給路３１が接続されており、再生塔３の上部には、二酸化炭素回収路３２が接続されている。再生塔３には、ウエットガス供給路３１を通じて、常圧で１００℃以上のウエットガスが供給される。ウエットガスは、二酸化炭素と水蒸気の混合ガスである。
再生塔３内では、ウエットガス中の水蒸気が吸着材に凝縮し、吸着材から二酸化炭素が放出される。なお、ウエットガス中の水蒸気の量は、ウエットガス中の水蒸気のほぼ全てが吸着材に凝縮する程度である。吸着材から放出された二酸化炭素およびウエットガス中の二酸化炭素は、二酸化炭素回収路３２を通じて排出される。二酸化炭素回収路３２を通じて排出される二酸化炭素の濃度は、ほぼ１００％である。凝縮水が付着した吸着材は、乾燥塔４へ移送される。
一例として、再生塔３へ供給されるウエットガスの温度は１００℃である。吸着材の温度は、吸着材とウエットガスとの接触および吸着材へのウエットガス中の水蒸気の凝縮により、約１００℃まで上昇する。
乾燥塔４は、ウエットガスと接触後の吸着材を乾燥させるものである。本実施形態では、吸着材の乾燥が、乾燥用ガスを吸着材に接触させる直接加熱により行われる。ただし、吸着材の乾燥は、乾燥塔４内に通された配管に熱媒体が流される間接加熱により行われてもよい。例えば、間接加熱用の熱媒体としては、再生塔３から排出される二酸化炭素、後述する圧縮機５１で圧縮された二酸化炭素、再生塔３へ供給される前のウエットガスなどを用いてもよい。
具体的に、乾燥塔４の下部には乾燥用ガス供給路４１が接続されており、乾燥塔４の上部には乾燥用ガス排出路４２が接続されている。乾燥塔４には、乾燥用ガス供給路４１を通じて乾燥用ガスが供給される。これにより、吸着材に付着した凝縮水が蒸発する。凝縮水の蒸発に由来する水蒸気は、乾燥用ガスと共に乾燥用ガス排出路４２を通じて排出される。乾燥後の吸着材は、吸着塔２へ戻される。
一例として、乾燥塔４へ供給される乾燥用ガスの温度は約８０℃である。吸着材の乾燥が進むにつれて、吸着材の温度は、吸着材に付着した凝縮水の蒸発により、乾燥用ガスの湿球温度まで徐々に下がる。その後、吸着材の温度は、凝縮水の蒸発中は乾燥用ガスの湿球温度に維持される。上記の「乾燥後の吸着材」とは、凝縮水が完全に蒸発する直前の吸着材、すなわち低温に維持された吸着材である。なお、乾燥用ガスの湿球温度が吸着塔２への投入温度（上記の例示では、約４０℃）よりも高い場合は、乾燥塔４と吸着塔２の間に冷却塔を設けてもよい。
上述したウエットガス供給路３１の上流端は、エジェクタ５３に接続されている。また、エジェクタ５３は、中継路５２により圧縮機５１と接続されている。さらに、圧縮機５１には、二酸化炭素回収路３２から分岐する還流路６がつながっている。
還流路６は、再生塔３から排出される二酸化炭素の一部を圧縮機５１へ導く。圧縮機５１は、その二酸化炭素を圧縮して吐出する。圧縮機５１から吐出された二酸化炭素は、中継路５２を通じてエジェクタ５３へ導かれる。
エジェクタ５３は、水蒸気供給路５４により水蒸気供給源と接続されている。水蒸気供給源は、例えば、負圧の水蒸気を排出するタービンやボイラである。あるいは、水蒸気供給源は、水を貯留する密閉容器であってもよい。そして、エジェクタ５３は、圧縮された二酸化炭素を、負圧の水蒸気（飽和水蒸気または過熱水蒸気）を吸引しながら膨張させる。これにより、上述した常圧のウエットガスが生成される。エジェクタ５３から流出するウエットガスは、ウエットガス供給路３１により再生塔３へ導かれる。
一例として、圧縮機５１から吐出される二酸化炭素は、約４１０ｋＰａの圧力および約２６５℃の温度を有し、エジェクタ５３に吸引される水蒸気は、約７ｋＰａの飽和水蒸気（約４０℃）である。
以上説明したように、本実施形態の二酸化炭素分離回収システム１Ａでは、常圧のウエットガスが再生塔３に供給されるので、大気圧に対する差圧保持装置が不要である。しかも、そのウエットガスはエジェクタ５３によって生成される。エジェクタ５３は負圧の水蒸気を吸引するため、少ないエネルギーで生成可能な低温・負圧の水蒸気を利用して吸着材再生用のウエットガスを生成することができる。例えば、エジェクタ５３が水を貯留する密閉容器に接続されている場合、圧縮機５１の動力のみでウエットガスを生成することもできる。その上、エジェクタ５３に吸引される水蒸気が１００℃未満であっても、その水蒸気に圧縮機５１で圧縮された高温の二酸化炭素が混合されるため、１００℃以上のウエットガスを容易に生成することができる。また、ウエットガス中の水蒸気以外の成分は二酸化炭素であるので、再生塔３からは高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
＜変形例＞
上述したように、吸着塔２、再生塔３および乾燥塔４の構成は適宜変更可能である。例えば、吸着塔２が乾燥塔４の下方に配置され、それらが連続したタンクで構成されていてもよい。換言すれば、１つのタンクの下部が吸着塔２、上部が乾燥塔４となっていてもよい。この場合には、そのタンクの下部に対象ガス供給路２１を接続し、タンクの上部に対象ガス排出路２２を接続すれば、二酸化炭素除去後の対象ガスを利用して凝縮水が付着した吸着材を乾燥させることができる。
（第２実施形態）
次に、図２を参照して本発明の第２実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１Ｂを説明する。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
本実施形態の二酸化炭素分離回収システム１Ｂは、吸着材が充填された１つのタンク７が、吸着行程、再生行程、乾燥行程毎に、吸着塔２、再生塔３、乾燥塔４として機能する固定層方式のシステムであ。また、本実施形態では、連続的な処理が可能なように、２つのタンク７が設けられている。ただし、タンク７の数は３つ以上であってもよい。あるいは、断続的な処理を行う場合は、タンク７は１つだけであっていてもよい。なお、以下では、説明の便宜のために、一方のタンク７を第１タンク７Ａ、他方のタンク７を第２タンク７Ｂという。
具体的に、第１タンク７Ａには、第１共通供給路７１、第１共通排出路７２、第１ウエットガス供給路７３および第１二酸化炭素回収路７４が接続されている。同様に、第２タンク７Ｂには、第２共通供給路７５、第２共通排出路７６、第２ウエットガス供給路７７および第２二酸化炭素回収路７８が接続されている。これらの流路７１〜７６には、それぞれ開閉弁が設けられている。
第１共通供給路７１および第２共通供給路７５における開閉弁よりも上流側部分は互いに合流しており、この合流部分に、対象ガス供給路８１および乾燥用ガス供給路８２が接続されている。これらの供給路８１，８２にもそれぞれ開閉弁が設けられている。すなわち、第１共通供給路７１および第２共通供給路７５のそれぞれには、対象ガスと乾燥用ガスのどちらかを選択的に流すことが可能である。
第１ウエットガス供給路７３および第２ウエットガス供給路７７における開閉弁よりも上流側部分は互いに合流しており、この合流部分に、エジェクタ５３が接続されている。すなわち、エジェクタ５３から流出する常圧のウエットガスは、第１タンク７Ａと第２タンク７Ｂのどちらか一方に選択的に供給可能である。
また、本実施形態では、還流路６の上流側部分が２本のラインに分岐しており、それらのラインが第１二酸化炭素回収路７４および第２二酸化炭素回収路７８における開閉弁よりも下流側部分につながっている。すなわち、還流路６により圧縮機５１に導かれる二酸化炭素を、第１タンク７Ａから排出される二酸化炭素と第２タンク７Ｂから排出される二酸化炭素のどちらかに切り換え可能となっている。
上述した構成では、開閉弁を操作することにより、一方のタンク７で吸着材を再生させながら、他方のタンクで吸着材による二酸化炭素の吸着および吸着材の乾燥を行うことができる。そして、この構成でも、圧縮機５１およびエジェクタ５３により、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
（その他の実施形態）
第１および第２実施形態では、還流路６によって再生塔４（第２実施形態ではどちらかのタンク７）から排出される二酸化炭素の一部が圧縮機５１へ導かれていた。しかしながら、還流路６は省略可能である。例えば、圧縮機５１は、二酸化炭素が充填された圧力容器に接続されていてもよい。ただし、第１および第２実施形態のように還流路６が設けられていれば、再生塔４からの廃熱をウエットガスの生成に合理的に利用することができる。
本発明は、例えば、燃焼排ガスを処理する際に有用である。
１Ａ，１Ｂ 二酸化炭素分離回収システム
２ 吸着塔
３ 再生塔
４ 乾燥塔
５１ 圧縮機
５３ エジェクタ
６ 還流路

Claims (2)

  1. 吸着剤を用いて対象ガス中の二酸化炭素を分離および回収する二酸化炭素分離回収システムであって、
    前記対象ガスを前記吸着剤に接触させて前記吸着剤に前記対象ガス中の二酸化炭素を吸着させ、二酸化炭素が除去された前記対象ガスを排出する吸着塔と、
    二酸化炭素を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機から吐出された二酸化炭素を、負圧の水蒸気を吸引しながら膨張させることによって常圧のウエットガスを生成するエジェクタと、
    前記エジェクタから流出する前記ウエットガスを二酸化炭素吸着後の前記吸着剤に接触させて前記吸着剤から二酸化炭素を放出させ、放出された二酸化炭素を排出する再生塔と、
    前記ウエットガスと接触後の前記吸着剤を乾燥させる乾燥塔と、
    を備える、二酸化炭素分離回収システム。
  2. 前記再生塔から排出される二酸化炭素の一部を前記圧縮機へ導く還流路をさらに備える、請求項1に記載の二酸化炭素分離回収システム。
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