JP2016175014A - ガス回収濃縮装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】煙道ガス等から二酸化炭素などのガスを回収するハニカムロータ回収濃縮装置において、出来るだけ高い回収率で回収し、出来るだけ高い濃度に濃縮し、かつ回収濃縮のためのエネルギー量を出来るだけ少なくする。
【解決手段】ロータの回転方向に対して、吸着ゾーン４、予熱ゾーン１２、低濃度ガスパージゾーン１５、脱着ゾーン５、高濃度ガスパージゾーン１６、予冷ゾーン１３、冷却ゾーン７を設け、脱着ゾーン５に低濃度ガスが混入することを防止し、脱着ゾーン５から高濃度ガスが流失することを防止する。さらに予熱ゾーン１２と予冷ゾーン１３は循環回路を構成し、回路を循環するガスにより予冷、予熱熱交換することで省エネルギー性を向上させる。
【選択図】図２
【解決手段】ロータの回転方向に対して、吸着ゾーン４、予熱ゾーン１２、低濃度ガスパージゾーン１５、脱着ゾーン５、高濃度ガスパージゾーン１６、予冷ゾーン１３、冷却ゾーン７を設け、脱着ゾーン５に低濃度ガスが混入することを防止し、脱着ゾーン５から高濃度ガスが流失することを防止する。さらに予熱ゾーン１２と予冷ゾーン１３は循環回路を構成し、回路を循環するガスにより予冷、予熱熱交換することで省エネルギー性を向上させる。
【選択図】図２
Description
本発明は、高い回収率で回収し、高い濃度に濃縮でき、かつ消費エネルギーの少ない、サーマルスイング二酸化炭素回収濃縮装置に関するものである。
地球温暖化対策として、産業や自動車及び家庭から排出される二酸化炭素をできるだけ削減しようとする取り組みが世界レベルで行われている。これには、エネルギーを消費する機器を省エネルギーとなるように改良し、古い機器と置き換えるという取り組みをしている。また、発電などのエネルギーを生み出す機器としては、太陽光や風力等再生可能エネルギーを利用したものを用いたり、火力発電所の発電効率を上げる改良を行ったり、将来的には火力発電所から排出される二酸化炭素を回収濃縮して、地中や深海に貯留する技術等も研究開発されている。
以上のような取り組みの中で、本件発明は特に火力発電所や燃焼炉等から排出されるガスから、二酸化炭素を回収して濃縮する技術に関する。
火力発電所としては、燃料に石油や天然ガスや石炭を用いるものが最も普及しており、これ以外には都市より排出されるゴミを焼却するもの等がある。このような火力発電所の中で、石炭を燃料として使用するものは、次のような特徴がある。即ち燃料が安価であり、石炭の世界的な埋蔵量は石油よりも遥かに多く、埋蔵場所も世界各地にあるため入手が容易であり、よって安定して電力を供給できるという特徴がある。
しかし、石炭は燃焼時に排出する二酸化炭素が石油や天然ガスと比較して多く、さらに硫化物も多いという問題が有る。さらに石炭だけでなく、重質の石油も石炭と同様の問題があった。このため、石炭や重質油を燃料とする発電所などでは、硫黄酸化物や窒素酸化物を除去する装置を設けて、環境汚染を防止している。
しかし硫黄酸化物や窒素酸化物を除去して環境汚染を防止しても、依然として二酸化炭素を多量に排出し、地球の温暖化を促進するという問題があった。
この改善策として、排ガス中の二酸化炭素を分離回収濃縮し、回収した二酸化炭素を地中や深海に貯留するという技術が研究開発されている。この二酸化炭素の分離回収濃縮手段は、深冷法、吸収法、吸着法、膜分離法等種々提案されている。
深冷法は原料ガスを加圧して、加圧下での各ガスの液化温度の差を利用して、二酸化炭素を液化分離する方法である。ガスを圧縮するコンプレッサの電力と、深冷する冷凍機の電力が必要で、例えば二酸化炭素濃度が１０％前後の場合、二酸化炭素以外の回収する必要のないその他９０％のガスも一緒に圧縮、深冷しなくてはならない為、エネルギー消費が過大になる欠点が有る。
吸収法はアミン系等アルカリ液に吸収させて回収し、加熱することで脱離させて濃縮する方法で、すでに実用化されているが、アルカリ液を取り扱うことで耐蝕性の高価な材料が必要で高コストである。また要所に熱交換器を用いて全体システムの省エネルギー化を図ってきたが、取り扱う液体の熱容量が大きいため限界に近づいている。（非特許文献２）さらには蒸気化する薬品を用いることでの二次汚染も懸念されるなどの問題が有る。
吸着法はゼオライトや活性炭などのガス吸着材を用いるもので、圧力差を利用して吸・脱着するプレッシャースイング法（以下PSA法）と温度差を利用して吸・脱着するサーマルスイング法（以下TSA法）とがある。PSA法は圧力により二酸化炭素の吸着量が変わる原理を利用して、加圧して二酸化炭素のみを分離吸着させ、減圧して二酸化炭素を脱着回収する方法なので圧力容器が必要で、周辺機器として電磁弁やコンプレッサ、真空ポンプ等精密機械も必要となり大型化が困難という問題が有る。
TSA法は摂氏５０℃（以降、温度は全て「摂氏」とする）以下の温度で二酸化炭素を吸着させ、１００〜２００℃前後の温度に加熱して二酸化炭素を脱着させて回収する方法である。二酸化炭素吸着材を充填した複数の吸着塔を吸着と再生と交互に切り替える多塔式では、ガスの圧力損失が高く、塔の切り替えによる濃度、圧力の変動が避けられない、大型化が困難などの欠点が有る。
TSA法の中でも、回転型吸着ハニカムロータを用いることにより、低圧力損失化や大型化の可能な方法が特許文献１〜５に示されている。しかしながら、二酸化炭素の回収率、濃縮濃度、回収エネルギーの省エネ性の点で不十分である。
「吸着法によるCO2の分離・回収技術」、CO2分離・回収と貯留・隔離技術P77〜P101、(株)エヌ・ティー・エス、2009
「化学吸収法によるCO2の分離・回収技術」、CO2分離・回収と貯留・隔離技術P105〜P124、(株)エヌ・ティー・エス、2009
本発明は回転型吸着ハニカムロータを用いた二酸化炭素回収濃縮装置に関するもので、回収率、回収濃度、回収エネルギーの省エネ性の高い回収濃縮装置を実現するものである。
特許文献１、２に開示されたものは、粒状の二酸化炭素吸着材をバケット状の容器に分割して収納した円筒形状容器のロータを用いて、ロータを回転させるかまたはダクト装置を回転させて、吸着ゾーンで二酸化炭素を吸着して、脱着ゾーンで加熱ガスにより高濃度の二酸化炭素を脱着回収する方法が示されている。この技術ではガスの圧力損失が高く、省エネルギー性も考慮されていない。特許文献２では、原料ガスの熱を二酸化炭素の脱着ガスの熱源に利用する方法が開示されているが、回収濃縮装置そのものの省エネルギー性については考慮されていない。
特許文献３にはハニカム構造のロータが提案され、圧力損失の低減がなされている。またロータが回転に伴って順次吸着ゾーンと、加熱ガスによる脱着ゾーンと、ガスパージゾーンと、再生冷却ゾーン（以下冷却ゾーンと表示）を経て再び吸着ゾーンに戻るフローが開示されている。脱着ゾーンを通過して次のゾーンに移る段階で、ハニカム空隙に内包する高濃度二酸化炭素ガスが、ロータの回転に伴って次のゾーンに移動、次のゾーンが冷却ゾーンである場合には冷却ガス中に放出されて二酸化炭素回収率を減ずる。この対策としてパージゾーンを設けている。また脱着ゾーン及びパージゾーンを通過して後も、ハニカムは蓄熱して高温なので二酸化炭素の吸着力が弱く、ここに原料ガスを流すと二酸化炭素が吸着されずに流出してしまう。そこで吸着ゾーンの前に冷却ゾーンを設けて、ハニカムを冷却した後吸着ゾーンに移るように構成されている。これにより二酸化炭素の回収率を高めることができる。脱着ゾーンでは、脱着ガス加熱コイルと脱着ゾーンとの循環回路を構成し、ボイラ等から排出される高温ガスの熱を回収利用して、省エネ性を向上させる工夫がされている。また冷却ゾーンではガス冷却コイルと冷却ゾーンとの循環回路を構成し、冷却効率を高めるよう工夫されている。
特許文献４は、ボイラ、脱硫装置、エリミネータ、ハニカムロータ除湿装置、ハニカムロータ二酸化炭素回収濃縮装置を一体システムとして、全体システムの最適化を提案しているが、二酸化炭素回収濃縮装置に関しては特許文献３からの進歩性は無い。
特許文献５は、二酸化炭素吸着ロータの吸着材として、Li、Mg、Na、Ca、SrをカチオンとするSiO2／Al2O3比が２〜２．５の範囲のX型ゼオライトを用いることが開示されているが、二酸化炭素濃縮装置に関しては特許文献３からの進歩性は無い。
特許文献３には、脱着ゾーンと冷却ゾーンの間にパージゾーンを設け、脱着ゾーンでハニカムの空隙に充満した高濃度二酸化炭素が、ロータの回転によって冷却ゾーンに移動して、冷却ゾーンに放出されることを防止して回収率を高めている。しかしながら同様に吸着ゾーンにて、濃縮ガスよりもはるかに低濃度の原料ガスが充満したハニカムがロータの回転によって脱着ゾーンに移動して、脱着ゾーン内に放出されることで脱着ゾーン内の二酸化炭素濃度を薄め、回収濃度が低下するという欠点が有る。
さらに別の問題として、脱着ゾーンを出たロータ部分はパージゾーンを経て、冷却ゾーンに入り、ガス冷却器と冷却ゾーンを循環するガスで冷却されて後吸着ゾーンに移動するが、冷却のために多量の冷却ガス循環量が必要で、ガス冷却器に供給する冷水量やブロアの動力が多く必要になるという欠点が有る。
二酸化炭素回収率と回収濃度の関係は、図６の実測例ようにトレードオフの関係にあり、回収率を７０％以上にしようとすれば回収濃度は７０％程度に留まってしまう。逆に回収率を９０％以上に高めようとすれば回収濃度は２０％程度に留まってしまう。
以上のように二酸化炭素回収濃縮装置としては、濃縮濃度と回収率を同時に向上させることと、消費エネルギーを劇的にさげなくてはならないという３つの課題が有る。
特許文献６にはロータ型除湿装置において、ロータの回転方向に対して脱着ゾーンと、予冷ゾーンと吸着ゾーンと予熱ゾーンを設け、予冷ゾーンと予熱ゾーンを結んで閉回路として、循環空気によって予冷と予熱をすることが開示されている。しかしながらこの方法で省エネルギー性は向上するが、循環ガス量が予冷と予熱を目的とした流量を循環させるため、ロータの回転によってロータの空隙に含まれた低濃度ガスが脱着ゾーンに流出して脱着ゾーンガス濃度を低下させることや、高濃度ガスが再生冷却ゾーンに流出して回収率を減ずることは防止できない。つまり除湿用途では効果的であるが、ガスの高濃縮用途には使えない。
特許文献７には、回転型熱交換器においてロータの回転方向に対して外気-給気ゾーンと、パージゾーンAと、還気-排気ゾーンとパージゾーンBを設け、パージゾーンA、Bを循環する閉回路を構成し、パージ空気の相互置換により外気-給気ゾーンと還気-排気ゾーンそれぞれの空気が、相互に流出、又は流入する量を最小にする方法が開示されている。しかしながらこの方法ではガスの流出、流入は減らせるが、この方法による省エネルギー効果は無い。
ハニカムロータ式を応用した回収濃縮装置には、従来から有機溶剤濃縮装置や除湿機があるが、二酸化炭素回収濃縮装置はこれら従来の装置とは全く異なる考え方が必要になる。有機溶剤濃縮装置であれば数百ppmを数千ppmに濃縮すれば良い。除湿機であっても、処理空気の水蒸気濃度は数パーセントで、濃縮側である再生排気の水蒸気濃度も数パーセントオーダーである。これに対し、二酸化炭素の濃縮では、処理ガスの濃度１０％前後を、濃縮後の濃度７５〜９５％以上にしなくてはならない。
特許文献８にはロータの回転方向に従って第１〜第６のゾーンが有り、吸着ゾーンに相当する第１のゾーンと、脱着ゾーンに相当する第４のゾーンが有り、吸着ゾーンと脱着ゾーンとの間に前述のゾーンとは分離して、対抗する第２と第６のゾーンを閉ループで再循環させる第一の循環回路と、これらとは分離して、対抗する第３と第５のゾーンを閉ループで再循環させる第二の循環回路を有する、収着物濃度を低下させる方法及びシステムが登録されている。
対抗する２つのゾーンを循環する回路を２組有する事は本願実施例３に類似しているが、本願は７つのゾーンを有していることが異なる。つまり特許文献８では本願の吸着ゾーンと冷却ゾーンが一体になった構成になっている。
原料ガスの濃度が大気中の水蒸気濃度程度又は以下で、ガス濃度を下げるという発想であれば、特許文献８のように吸着と冷却機能が一体のゾーンを設ければ良い。有機溶剤濃縮装置であれば濃縮濃度は数千ppmであり、除湿機で極端な高湿度、高濃度濃縮条件であっても、再生脱着出口空気の水蒸気濃度は数％オーダーである。しかし本願は二酸化炭素ガスを９０％前後の高濃度に濃縮するために特別な考えが必要で、吸着の最終段階には最も高濃度のガスを通過接触させるように構成する必要が有る。その理由は図５のゼオライト系吸着材の二酸化炭素吸着等温線を見ればわかるように、濃度が高いほど、かつ温度の低いほど吸着容量が多くなるためである。本発明が目指す二酸化炭素濃縮装置では、独立した吸着ゾーンと、冷却ゾーンと分ける必要が有る。
さらに１０％前後の濃度の二酸化炭素を吸着して９０％以上の高濃度の二酸化炭素に濃縮するためには、如何にしてハニカムを冷却するかという大きな課題が有る。前述有機溶剤濃縮装置や、除湿機でもハニカムを冷却することで性能向上できることは常識であるが、そのレベルにおいて別物と考える必要が有る。
その理由の一つ目は吸着容量の問題である。有機溶剤や水蒸気よりはるかに高濃度のガスを吸着しなくてはならない為、処理ガス量に対する吸着ゾーンへの吸着材投入量が有機溶剤濃縮装置や除湿機の数倍〜十数倍になる。言い換えれば原料ガス量に対して、従来装置の数倍から〜数十倍の体積のロータが必要になる。そのために脱着の終わったハニカムの蓄熱を除去するために、原料ガスによる冷却効果では全く不十分で、そのために吸着ゾーンより何倍も広い冷却ゾーンを設け、吸着ガスの何倍もの冷却ガスを循環させなくてはならない。
二つ目は二酸化炭素の吸着熱である。ハニカムを通過するガスから二酸化炭素を吸着すると吸着熱が発生し、吸着熱によりガスやハニカムが昇温することで吸着材の吸着力が低下する。二酸化炭素の吸着熱は水蒸気の吸着熱の６〜７分の１程度であるが、有機溶剤濃縮装置や除湿機と比較してはるかに高濃度の二酸化炭素を吸着しなくてはならないため多くの吸着熱が発生する。そのため冷却ゾーンで十分に冷却しておかないと、吸着ゾーンでの二酸化炭素吸着が不十分になり、回収率及び濃縮濃度が上がらない。以上二つの理由から熱を除去するために冷却ゾーンを設けているが、冷却のためのエネルギーや装置が過大になる。
試験結果やシミュレーション結果を分析すると、ハニカムロータ二酸化炭素回収濃縮装置の二酸化炭素回収エネルギーは、二酸化炭素脱着エネルギーの目安と考えられる昇華潜熱573kJ/ｋｇの約１０倍にもなっており、脱着ゾーンに投入される熱エネルギーの約８〜９割が、ハニカム（ハニカム基材と吸着材と吸着材を固定しているバインダー）を温めるだけに投入されていると考えられる。冷却ゾーンではこのときの膨大な蓄熱を厄介者として除去するために、さらにエネルギー消費が増加するという問題が有る。
さらに高濃度濃縮装置であるが故の課題として、ロータの回転によってハニカム空隙に含まれるガスが次のゾーンに移動し、流出することが大きな問題となる。脱着ゾーンに移動直後の箇所では高濃度ガスに低濃度ガスが混入し、脱着ゾーンから次のゾーンに移動した箇所では、高濃度ガスが次のゾーンに流失し、回収濃度を減じ、回収率が上がらないという問題が有る。
本発明は、ハニカムロータ回転式二酸化炭素回収濃縮装置に関するもので、ロータの回転方向に沿って吸着ゾーンと、予熱ゾーンと、低濃度ガスパージゾーンと、加熱ガス循環による脱着ゾーンと、高濃度ガスパージゾーンと、予冷ゾーンと、冷却ゾーンを経て再び吸着ゾーンに戻る構成にしている。
予熱ゾーンと予冷ゾーンは循環回路を構成し、ブロアによりガスを循環させる。
低濃度ガスパージゾーンでは、脱着ゾーンに移動する直前のハニカム空隙に含まれる低濃度ガスを高濃度ガスにてパージして置換する。高濃度ガスパージゾーンでは、脱着ゾーンから次のゾーンに移動する直前のニカム空隙に含まれる高濃度ガスを低濃度ガスでパージ置換する。
予冷ゾーンでは通過するガスでハニカムが予冷され、ガスは熱を吸収して温度が上昇し、予熱ゾーンへ循環する。予冷されたハニカムは、吸着能力を回復するために冷却ゾーンに移動してさらに冷却されるが、冷却ゾーンでの冷却エネルギーが削減できるという効果が有る。
予熱ゾーンでは、予冷ゾーンを通過して温度上昇したガスが導入され、ハニカムは予熱され、ガスは冷却されて予冷ゾーンへと循環する。予熱されたハニカムは脱着ゾーンに移動して、高温高濃度二酸化炭素ガスにより加熱されて二酸化炭素が脱着されるが、予熱により脱着ゾーンでの熱エネルギー量が削減できる。
以上のように予冷ゾーンと予熱ゾーンを設け、それぞれを循環する回路を構成し、ガスを循環させることで冷却エネルギー量と、脱着のための加熱エネルギー量を同時に削減できるという効果を有する。
また二酸化炭素回収濃縮効率の面から考えると、脱着ゾーンでは高温とはいえ高濃度の二酸化炭素ガスなので、吸着材に吸着した二酸化炭素は完全には脱着されずに残存するが、予冷ゾーンに移動すると脱着ゾーンと比較して低濃度の二酸化炭素ガスが通過し、ハニカムは依然として高温に蓄熱しているので、残存した二酸化炭素の脱着が促進されるという効果が有る。
予冷ゾーンを通過したガスは、通過中に脱着された二酸化炭素が加わり、原料ガスの二酸化炭素濃度よりも高くなって予熱ゾーンに導入される。吸着ゾーンから予熱ゾーンに移動したハニカムは、すでに吸着ゾーンで二酸化炭素を吸着しているが、導入されるガスは原料ガスより高濃度でありハニカムが低温なので、予熱ゾーンにてさらに二酸化炭素を吸着するという効果が有る。このように脱着効果を増し、かつ吸着効果も増すという相乗効果で、吸着材そのものの吸着容量を増加させたのと同じ効果が得られる。
低濃度ガスパージゾーンでは、脱着ゾーンに移動する直前のハニカム空隙に含まれる低濃度ガスを高濃度ガスにてパージ置換することで、回収濃度の低下を防止する。
高濃度ガスパージゾーンでは、脱着ゾーンから次のゾーンに移動する直前のニカム空隙に含まれる高濃度ガスを低濃度ガスでパージ置換することで、高濃度ガスが流失することを防止できる。
本発明の二酸化炭素回収濃縮装置は、ロータの回転方向に沿って吸着ゾーンと、予熱ゾーンと、低濃度ガスパージゾーンと、加熱ガス循環による脱着ゾーンと、高濃度ガスパージゾーンと、予冷ゾーンと、冷却ガス循環による冷却ゾーンを経て再び吸着ゾーンに戻るように構成している。
第一のポイントは、予熱ゾーンと予冷ゾーンは閉回路にて循環回路を構成し、ガスはブロアにより循環させることである。予冷ゾーンではハニカムを予冷したガスが熱回収により温度上昇し、そのガスを予熱ゾーンに循環流入させることで、加熱脱着ゾーンに移動する前のハニカムを熱回収した熱で予熱するという効果が有る。また予冷ゾーンでハニカムの蓄熱を予冷することで、次の冷却ゾーンでの冷却負荷を減じる効果が有る。
予冷、予熱ゾーンの循環ガス量には最適値が存在し、予冷、予熱ゾーンを単位時間に横切るハニカムの熱容量と、通過させるガスの熱容量を同等に設定する必要が有る。過少であると省エネ効果が少ない。過剰になると予熱ゾーンでハニカムの温度が上がり過ぎて二酸化炭素の脱着が始まり、また予冷ゾーンではハニカムが冷却されて逆に二酸化炭素の吸着が始まる。つまり二酸化炭素回収効率を減じることになる。
最適な予冷、予熱循環ガス量Wは式‐１で計算できる。
W（ｋｇ/ｈ）＝π/４×（D2−ｄ2）×ζ×L×N ×γH×CH/CG …式‐１
ここでD：ロータ有効外径(m)、ｄ：ロータ有効内径(m)、ζ：ロータ端面有効面積率、L：ロータ幅(m)、N：ロータ回転数(rph)、γH：ハニカムの嵩比重（ｋｇ/m3）、CG: ガスの比熱、CH：ハニカム材の比熱
ここでD：ロータ有効外径(m)、ｄ：ロータ有効内径(m)、ζ：ロータ端面有効面積率、L：ロータ幅(m)、N：ロータ回転数(rph)、γH：ハニカムの嵩比重（ｋｇ/m3）、CG: ガスの比熱、CH：ハニカム材の比熱
最適予冷、予熱循環ガス量Wはロータ回転数Nに比例する。ロータ有効面積率ζとは、ロータスポーク等通風しない面積を除いた、通風に有効な面積率である。
本発明の第二のポイントは、ロータの回転方向に沿って、加熱脱着ゾーンの前に低濃度ガスパージゾーンと、後に高濃度ガスパージゾーンを設け、ロータの回転によりハニカムの空隙に充満したガスが次のゾーンに移動して流出することによる不具合を解消する。つまり低濃度ガスパージゾーンでは、脱着ゾーンでの二酸化炭素濃度の低下という問題を、高濃度ガスパージゾーンでは二酸化炭素回収率の低下という問題とを同時に解消するものである。
パージガス量は過少でも過剰でも逆効果となる。過少であればパージ効果が不十分で、過剰であれば低濃度ガスパージゾーンでパージに使った高濃度ガスが流出し、高濃度ガスパージゾーンではパージに使った低濃度ガスが高濃度脱着ゾーンに流入してしまうために、ガスパージの意味が無くなる。パージ効果が最大となる最適パージガス量QGPは式‐２で計算する。
QGP（ｍ３/ｈ）＝π／４×（D２−ｄ２）×ζ×L×N×ψ …式‐２
ここでψ：ハニカム空隙率。式‐１の予冷、予熱ゾーンの最適ガス量Wは熱容量が重要なのでｋｇ/hで表示したが、最適パージガス量QGPは容積が重要なのでm3/hで計算している。ガスの容積はガスの温度で変化するので、入り口出口の平均温度で計算する。
ここでψ：ハニカム空隙率。式‐１の予冷、予熱ゾーンの最適ガス量Wは熱容量が重要なのでｋｇ/hで表示したが、最適パージガス量QGPは容積が重要なのでm3/hで計算している。ガスの容積はガスの温度で変化するので、入り口出口の平均温度で計算する。
仮にD＝4、ｄ＝0.6、ζ＝0.8、L＝0.5、N＝10、ψ＝0.8の場合、最適パージ量はQGP＝39.2m3/hとなる。この条件の二酸化炭素濃縮装置で、もしパージしなければ39.2m3/hの低濃度ガスが脱着ゾーンの高濃度ガスに混合して回収濃度を減じる。また脱着ゾーンでは39.2m3/hの高濃度二酸化炭素ガスが、ロータの回転によって脱着ゾーンの次のゾーンに移動流出することで回収率を減じる。このクラスの二酸化炭素回収濃縮装置では二酸化炭素回収量は300〜400m3/hとの試算結果から推測すると、脱着ゾーンで回収した高濃度ガスに10%前後の容積の低濃度ガスが混入し、かつ回収した高濃度ガスの10%前後の容積が脱着ゾーン外に流失することになる。
煙道ガスは高温高湿度で、NOｘ、SOｘ、粉塵等の有害ガスも含まれるため、脱硝装置、ウェットスクラバー、脱硫装置、バグフィルタ等特許文献４に開示されているような前処理装置を設けて、有害なガスや粉塵を除去処理する。二酸化炭素濃縮にゼオライト系吸着材を担持したハニカムロータを用いる場合は、ゼオライトが二酸化炭素よりも水蒸気を優先的に吸着して、二酸化炭素吸着能力が低下することから、特許文献４に開示されているように、ハニカムロータ除湿機による前処理にて、露点温度−20〜−60℃程度に除湿して導入する必要がある。
二酸化炭素の吸着に水蒸気の影響を受けにくい、例えば多孔質固体吸着材に、アミン系吸収剤、炭酸塩系吸収剤を添着した二酸化炭素吸着材を担持したロータの場合、除湿の前処理は不要か、又は簡単になる。以下何れの実施例においても、必要とされる前処理装置は既にあるものとして図示していない。
図１は非特許文献１に開示されている。二酸化炭素回収濃縮装置は、二酸化炭素吸着ハニカムロータ１を、ロータ駆動モータ２によって、ロータ駆動ベルト（又はチェーン）３を介して、１時間に数〜十数回転の速度で回転させる。ロータ１の回転方向に従って吸着ゾーン４、脱着ゾーン５、ガスパージゾーン６、冷却ゾーン７を経て吸着ゾーン４に戻るサイクルで構成されている。冷却ゾーン７とガス冷却コイル８と冷却ガスブロア９との循環回路が構成されている。脱着ゾーン５と脱着ガス加熱コイル１０と脱着ガス循環ブロア１１とは、循環回路が構成されている。
以上の構成の従来例の動作を以下説明する。煙道ガスを前処理した原料ガスは吸着ゾーン４に導入され、ハニカムが二酸化炭素を吸着して濃度が減少し、冷却ゾーン７の出口空気と合流混合する。合流したガスは冷却ガス循環ブロア９でガス冷却コイル８を通過して冷却され、冷却ゾーン７に導入される。冷却ゾーン７では脱着ゾーン５からパージゾーン６を移動してきて、いまだに高温のため二酸化炭素吸着能力の回復していないハニカムの吸着能力を回復するため、冷却ゾーン７にてハニカムを冷却する。冷却ゾーン７でも二酸化炭素の吸着は進行する。冷却ゾーン７を循環するガスは、吸着ゾーン４から導入される原料ガスから、回収した二酸化炭素を除いた容積分のガスが余剰となり、系外に排出、大気中に排気される。
脱着ガス循環回路では、高濃度二酸化炭素ガスが脱着ガス加熱コイル１０にて、１４０〜２２０℃に加熱されて脱着ゾーン５に導入され、ハニカムを加熱してハニカムに吸着した二酸化炭素を脱着させる。脱着ゾーン５を出たガスは、脱着ガス循環ブロア１１にて再度脱着ガス加熱コイル１０に戻って循環するが、循環回路内のガスは脱着した二酸化炭素ガスで増量し、増量した容積分は循環回路外に取り出し回収される。
ハニカムロータ除湿機やハニカムロータ有機溶剤濃縮装置では、加熱した空気を脱着ゾーンに導入して、ハニカムに吸着している水蒸気、あるいはVOCをキャリアガスである空気にのせて脱着するが、二酸化炭素濃縮装置でキャリアガスを用いると回収二酸化炭素濃度を減じることになる。そのため脱着に高濃度二酸化炭素ガスを用いる。ハニカムロータ除湿機やハニカムロータ有機溶剤濃縮装置とは全く異なる考え方が必要になる。
パージゾーン６では、脱着ゾーン５から移動してきたハニカムの空隙に内包される高濃度二酸化炭素ガスを、パージして脱着ゾーン５に戻すことで回収した二酸化炭素の流失を防ぐ。パージガスには冷却ガスの一部が使われるが、原料ガスを用いることも可能である。このガスパージにより、二酸化炭素回収率を高める効果が有る。
パージガス量をさらに増量すると、予熱を利用してガスパージゾーン６にて披吸着質の脱着が促進され、さらにパージゾーン６にて熱回収して脱着ゾーン５にて再利用することによる省エネルギー効果が有り、ロータ式除湿機、ロータ式有機溶剤濃縮装置では多用される。しかし本発明が対象とする二酸化炭素濃縮装置の場合、二酸化炭素濃度の低いガスが脱着回路に導入されて二酸化炭素回収濃度を減じてしまうので、パージガス量を増量して省エネ効果を出すという使い方は成り立たない。
この従来例のパージでは、吸着ゾーン４から脱着ゾーン５に回転移動した直後のハニカムに内包される低濃度二酸化炭素ガスが、脱着ゾーン５に流入して回収濃度を低下させることを防止できず、また脱着ゾーン５通過後のハニカムの蓄熱の再利用が不可能で、冷却ゾーン７で多くの冷却エネルギーを要するという欠点が有る。
通常の工学的知識を有する者であれば、冷却ゾーン７の出口ガスと、脱着ゾーン５の出口ガスとの熱交換により熱回収して、省エネ化することを思いつくが、この二酸化炭素濃縮システムでは冷却ゾーン７の出口空気の平均温度と脱着ゾーン５の出口空気の平均温度との差が少なく、静止型顕熱熱交換器の実用効率が５０〜６０％であることを考慮すると省エネ効果は少なく、イニシャルコストばかりが増加してしまう。
図２に実施例１を示す。ここで図１の従来例のものと同じ構成物については、同じ番号を付す。
実施例１は、二酸化炭素回収濃縮ロータの回転方向に対し、吸着ゾーン４、予熱ゾーン１２、低濃度ガスパージゾーン１５、加熱脱着ゾーン５、高濃度ガスパージゾーン１６、予冷ゾーン１３、冷却ゾーン７を経て吸着ゾーン４に戻るように構成されている。
原料ガスは吸着ゾーン４通過後、冷却ガス循環回路に合流混合し、ガス冷却コイル８で冷却されて冷却ゾーン７のハニカムを冷却しながら循環し、その一部が排気されることは従来例と同じである。
また脱着ガスは脱着ガス加熱コイル１０と脱着ゾーン５との間で脱着ガス循環ブロア１１による循環回路を構成し、脱着ガスは加熱され循環しながら吸着されている二酸化炭素を脱着する。脱着ゾーン５で脱着された二酸化炭素の容積分が過剰になり、循環回路外に取り出して回収することも従来例と同じである。
従来例と異なる第一のポイントとして、ロータの回転方向に沿って冷却ゾーン７の前と吸着ゾーン４の後に、予熱ゾーン１２と予冷ゾーン１３を設け、各ゾーンは循環回路を構成し、予冷・予熱ガス循環ブロア１４にて、ガスが循環するように構成している。
第二のポイントとして、予熱ゾーン１２と脱着ゾーン５の間に低濃度ガスパージゾーン１５を設け、ロータの回転移動により、ハニカムの空隙に内包された低濃度ガスが脱着ゾーンに持ち込まれないように、脱着ゾーンの高濃度ガスを用いてパージ置換するようにしている。
また脱着ゾーン５と予冷ゾーン１３との間に高濃度ガスパージゾーン１６を設け、ロータの回転移動により、ハニカムの空隙に内包された高濃度二酸化炭素ガスが脱着ゾーン外に持ち去られないように、予冷ゾーン１３のガスを用いてパージして脱着回路に戻すようにしている。
本発明の実施例１の動作を以下説明する。煙道ガスを前処理した原料ガスは吸着ゾーン４に導入され、ハニカムが二酸化炭素を吸着して濃度が低下し、冷却ゾーン７の出口ガスと合流する。合流したガスは冷却ガス循環ブロア９でガス冷却コイル８を通過して冷却され、冷却ゾーン７に導入循環される。冷却ゾーン７では脱着ゾーン５から高濃度ガスパージゾーン１６を経て移動してきて、いまだに高温で二酸化炭素吸着能力の回復していないハニカムを冷却して吸着能力を回復させる。冷却ゾーン７の循環ガスは、吸着ゾーン４に導入されてくる原料ガスから、回収した二酸化炭素分を除いたガス容積分が余剰となり、系外に排出、大気中に排気されることは従来例と同様である。
脱着回路では、高濃度二酸化炭素ガスが脱着ガス加熱コイル１０にて、１４０〜２２０℃に加熱されて脱着ゾーン５に導入され、ハニカムを加熱してハニカムに吸着した二酸化炭素を脱着させる。脱着ゾーン５を出たガスは脱着ガス循環ブロア１１により再度脱着ガス加熱コイル１０に戻って循環する。回路内のガスは脱着した二酸化炭素の容積分増量し、増量分が循環経路外に取り出され回収されることも従来例と同様である。
従来例と異なる第一のポイントは、予冷ゾーン１３では通過するガスによりハニカムが予冷され、ガスは熱を吸収して温度が上昇して予熱ゾーン１２へ循環する。予冷されたハニカムは、吸着能力を回復するために冷却ゾーン７に移動してさらに冷却されるが、冷却ゾーン７での冷却エネルギーが削減できるという効果が有る。
予熱ゾーン１２では、予冷ゾーン１３を通過して温度上昇したガスが導入され、ハニカムは予熱され、ガスは冷却されて予冷ゾーン１３へと循環する。
予熱されたハニカムは低濃度ガスパージゾーン１５を通過して脱着ゾーン５に移動する。脱着ゾーン５では高温の高濃度二酸化炭素ガスによりハニカムを加熱して二酸化炭素ガスを脱着させるが、予熱効果により脱着ゾーン５に投入する熱エネルギー量が削減できる。
以上のように予冷ゾーン１３と、予熱ゾーン１２を設け、それぞれを循環する回路を構成し、ガスを循環させることで冷却エネルギー量と、脱着のための加熱エネルギー量を同時に削減できるという効果を有する。
第二のポイントは２ヶ所のガスパージゾーンである。高濃度ガスパージゾーン１６では、脱着ゾーン５から高濃度ガスパージゾーン１６にロータが回転移動した直後のハニカム空隙に内包される高濃度の二酸化炭素ガスを、予冷ゾーン１３のガスの一部を導入パージして脱着回路に戻す。
低濃度ガスパージゾーンでは、予熱ゾーン１２から低濃度ガスパージゾーン１５に回転移動した直後のハニカム空隙に内包される低濃度二酸化炭素ガスを、脱着ゾーンの高濃度二酸化炭素ガスでパージ置換することで低濃度ガスが脱着ゾーン５に持ち込まれることを防止する。
以上の作用にて、脱着ゾーンに低濃度ガスが持ち込まれるのを防止し、同時に高濃度ガスが脱着ゾーン外に持ち去られるのを防止して、回収濃度の向上と、回収率の向上という目的を同時に達成する。
図３に実施例２を示す。実施例１では脱着回路の高濃度ガスを低濃度ガスパージゾーン１５に導入し、高濃度ガスパージゾーン１６でパージされたガスは脱着回路に戻したが、実施例２は脱着回路とは関係しないフローである。予冷ゾーン１３のガスの一部を用いて高濃度ガスパージゾーン１６をパージし、回収した高濃度ガスは低濃度ガスパージゾーン１５に導入しパージされたガスは予冷ゾーン１２の出口に戻す。ガスパージの効果は同じであるが、脱着回路圧力の影響を受けない。
図４に実施例３を示す。実施例１、２との違いは低濃度ガスパージゾーン１５と、高濃度ガスパージゾーン１６とで閉回路の循環回路を構成し、パージガス循環ブロア１７にて循環させている。低濃度ガスパージゾーン１５と高濃度ガスパージゾーン１６とは循環経路を構成して循環しているので、他のゾーンの圧力の影響を受けない。
前記実施例１〜３では、酸性ガスである二酸化炭素ガスで説明したが、本発明は二酸化炭素ガスに限定されるものではなく、吸着ハニカムロータに担持するゼオライト、活性炭、シリカゲル、メソポーラスシリカ、アルミナ、イオン交換樹脂、粘土鉱物、無機化合物などの吸着剤を適宜変更することにより、他の酸性ガスやアルカリ性ガスなどにも適用できる。
本発明の二酸化炭素回収濃縮装置は、回収濃度と回収率を同時に高めることができ、少ない消費エネルギーで効果的に二酸化炭素の濃縮を行うことができるため、発電所などの排ガスから二酸化炭素を濃縮除去する場合に適用できる。
１ 二酸化炭素吸着ハニカムロータ
２ ロータ駆動モータ
３ ロータ駆動ベルト（又はチェーン）
４ 吸着ゾーン
５ 脱着ゾーン
６ パージゾーン
７ 冷却ゾーン
８ ガス冷却コイル
９ 冷却ガス循環ブロア
１０ 脱着ガス加熱コイル
１１ 脱着ガス循環ブロア
１２ 予熱ゾーン
１３ 予冷ゾーン
１４ 予冷・予熱ガス循環ブロア
１５ 低濃度ガスパージゾーン
１６ 高濃度ガスパージゾーン
１７ パージガス循環ブロア
２ ロータ駆動モータ
３ ロータ駆動ベルト（又はチェーン）
４ 吸着ゾーン
５ 脱着ゾーン
６ パージゾーン
７ 冷却ゾーン
８ ガス冷却コイル
９ 冷却ガス循環ブロア
１０ 脱着ガス加熱コイル
１１ 脱着ガス循環ブロア
１２ 予熱ゾーン
１３ 予冷ゾーン
１４ 予冷・予熱ガス循環ブロア
１５ 低濃度ガスパージゾーン
１６ 高濃度ガスパージゾーン
１７ パージガス循環ブロア
Claims (7)
- 酸性ガスの吸着能力を有するハニカムロータの、ロータの回転方向に対し、吸着ゾーン、予熱ゾーン、低濃度ガスパージゾーン、脱着ゾーン、高濃度ガスパージゾーン、予冷ゾーン、冷却ゾーンを経て吸着ゾーンに戻るように構成し、前記予熱ゾーンと前記予冷ゾーンとの間でガスが循環するようにし、前記冷却ゾーンに入るガスを冷却する冷却器を設け、前記冷却ゾーンと前記冷却器の間でガスが循環するようにし、前記脱着ゾーンに送るガスを加熱する加熱ヒータを設け、前記脱着ゾーンと前記加熱ヒータとの間でガスが循環するようにし、この循環ガスの一部を前記低濃度ガスパージゾーンに通し、前記低濃度ガスパージゾーンを通過したガスを前記予熱ゾーンと前記予冷ゾーンとの間のガス循環路に流し、この循環路に流れるガスの一部を前記高濃度ガスパージゾーンに流し、前記高濃度ガスパージゾーンを出たガスを前記脱着ゾーンと前記加熱ヒータとの間の循環路に流し、前記脱着ゾーンと前記加熱ヒータとの間の循環路に流れるガスの一部を高濃度の二酸化炭素として外部に取り出すようにしたことを特徴とするガス回収濃縮装置。
- 酸性ガスの吸着能力を有するハニカムロータの、ロータの回転方向に対し、吸着ゾーン、予熱ゾーン、低濃度ガスパージゾーン、脱着ゾーン、高濃度ガスパージゾーン、予冷ゾーン、冷却ゾーンを経て吸着ゾーンに戻るように構成し、前記予熱ゾーンと前記予冷ゾーンとの間でガスが循環するようにし、前記冷却ゾーンに入るガスを冷却する冷却器を設け、前記冷却ゾーンと前記冷却器の間でガスが循環するようにし、前記脱着ゾーンに送るガスを加熱する加熱ヒータを設け、前記脱着ゾーンと前記加熱ヒータとの間でガスが循環するようにし、前記予熱ゾーンを通過したガスの一部を前記高濃度パージゾーンに通し、前記高濃度パージゾーンを通過したガスを前記低濃度パージゾーンに通して前記予熱ゾーンを通過したガスと混合し、前記脱着ゾーンと前記加熱ヒータとの間の循環路に流れるガスの一部を高濃度の二酸化炭素として外部に取り出すようにしたことを特徴とするガス回収濃縮装置。
- 酸性ガスの吸着能力を有するハニカムロータの、ロータの回転方向に対し、吸着ゾーン、予熱ゾーン、低濃度ガスパージゾーン、脱着ゾーン、高濃度ガスパージゾーン、予冷ゾーン、冷却ゾーンを経て吸着ゾーンに戻るように構成し、前記予熱ゾーンと前記予冷ゾーンとの間でガスが循環するようにし、前記高濃度ガスパージゾーンと前記低濃度ガスパージゾーンとの間でガスが循環するようにし、前記冷却ゾーンに入るガスを冷却する冷却器を設け、前記冷却ゾーンと前記冷却器の間でガスが循環するようにし、前記脱着ゾーンに送るガスを加熱する加熱ヒータを設け、前記脱着ゾーンと前記加熱ヒータとの間でガスが循環するようにし、前記脱着ゾーンと前記加熱ヒータとの間の循環路に流れるガスの一部を高濃度の二酸化炭素として外部に取り出すようにしたことを特徴とするガス回収濃縮装置。
- 前記ハニカムロータがアルカリ性ガスの吸着能力を有することを特徴とする請求項１から３記載のガス回収濃縮装置
- 前記低濃度ガスパージゾーン、及び前記高濃度ガスパージゾーンには、単位時間当たりにゾーンを通過するハニカムの空隙容積と同量のパージガスを送るようにしたことを特徴とする請求項１から４記載のガス回収濃縮装置。
- 前記予熱ゾーン、及び前記予冷ゾーンには、単位時間当たりに前記予冷及び前記予熱ゾーンを通過するハニカムの熱容量と、同熱容量のガスを送るようにしたことを特徴とする請求項１から４記載のガス回収濃縮装置。
- 前記予熱ゾーンと前記予冷ゾーンは循環回路を構成し、前記予熱及び前記予冷ガスを循環させることを特徴とする請求項１から４記載のガス回収濃縮装置。
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