JP2021133285A - 二酸化炭素回収装置、炭化水素製造装置、および二酸化炭素回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素回収装置において、二酸化炭素の回収率を安定化させる技術を提供する。【解決手段】二酸化炭素回収装置は、吸着器と、減圧ポンプと、熱供給部と、減圧ポンプおよび熱供給部を制御して、吸着材に吸着された二酸化炭素を吸着器から取り出す脱離工程を、繰り返し実行可能な制御部と、制御部は、さらに、１工程の脱離工程における二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい場合に、減圧量が最大減圧量より小さければ、次の脱離工程における減圧量を、最大減圧量までの範囲で増加させ、減圧量が最大減圧量であれば、次の脱離工程における投入熱量を増加させる、脱離条件決定工程を実行可能である。【選択図】図５

Description

本発明は、二酸化炭素の回収に関する。

従来、ゼオライトやシリカゲル等が充填された吸着塔を用いて、排ガスから二酸化炭素を吸着分離、回収する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、吸着塔に排ガスを導入した後、吸着塔内の圧力を３段階に制御することにより高い純度の二酸化炭素を回収する技術が開示されている。また、吸着塔を通過して二酸化炭素が除去された後の通過ガスを、脱離終了後の吸着塔に戻し、残存する二酸化炭素をパージして取り除くことにより、残存二酸化炭素を減らして、二酸化炭素回収率を高める技術も開示されている。

特開平１−３４４２２号公報

特許文献１に記載の技術では、吸着塔内の圧力を変動させるものの、予め定められた３段階であるため、例えば、外気温が変化する等の外乱が生じた場合には、それに伴い、二酸化炭素回収率は変動する。

例えば、二酸化炭素回収装置の後段に炭化水素合成装置を設けて、回収された二酸化炭素と水素とを用いて炭化水素を合成する場合がある。この場合、二酸化炭素の回収率が変動すると、炭化水素の合成の効率や純度が低下するおそれがある。そのため、二酸化炭素回収装置において、二酸化炭素回収率を安定化させる技術が望まれている。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、二酸化炭素回収装置において、二酸化炭素の回収率を安定化させる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、二酸化炭素回収装置が提供される。この二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素を吸着可能な吸着材を内部に収容する吸着器と、前記吸着器の内部を減圧する減圧ポンプと、熱を生成し、生成した熱を前記吸着器に投入する熱供給部と、前記減圧ポンプおよび前記熱供給部を制御して、前記吸着材に吸着された二酸化炭素を前記吸着器から取り出す脱離工程を、繰り返し実行可能な制御部と、前記脱離工程により回収された二酸化炭素回収量を取得する二酸化炭素回収量取得部と、を備え、前記脱離工程は、前記減圧ポンプにより前記吸着器の内圧を所定の減圧量で減圧する減圧工程と、前記熱供給部により前記吸着器へ所定の投入熱量の熱を投入する熱投入工程と、を含み、前記制御部は、さらに、１工程の前記脱離工程における前記二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい場合に、前記減圧量が最大減圧量より小さければ、次の前記脱離工程における前記減圧量を、最大減圧量までの範囲で増加させ、前記減圧量が前記最大減圧量であれば、次の前記脱離工程における前記投入熱量を増加させる、脱離条件決定工程を実行可能である。

この構成によれば、二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい場合に、脱離工程における減圧量、および投入熱量を、１工程ごとに増加させることができる。そのため、二酸化炭素の回収量を安定化させることができる。また、この構成によれば、減圧量、投入熱量の順に増加されるため、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

（２）上記形態の二酸化炭素回収装置において、前記脱離条件決定工程は、さらに、１工程の前記脱離工程における前記二酸化炭素回収量が前記目標範囲より大きい場合に、前記投入熱量が０より大きければ、次の前記脱離工程における前記投入熱量を減少させ、前記投入熱量が０であれば、次の前記脱離工程における前記減圧量を減少させてもよい。このようにすると、１工程の脱離工程における二酸化炭素回収量が目標範囲より大きい場合には、投入熱量、減圧量の順に減少される。投入熱量、減圧量の順に投入エネルギーを減少させると、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

（３）上記形態の二酸化炭素回収装置において、さらに、前記二酸化炭素回収装置の外で生成された外部熱を前記吸着器に投入する外部熱供給部を備え、前記脱離工程は、さらに、前記外部熱供給部により前記吸着器へ所定の外部熱量の前記外部熱を投入する外部熱投入工程を含み、前記脱離条件決定工程は、１工程の前記脱離工程における前記二酸化炭素回収量が前記目標範囲より小さい場合、前記外部熱量が最大外部熱量より小さければ、減圧量を増加させる前に、次の前記脱離工程における前記外部熱量を最大外部熱量までの範囲で増加させてもよい。このようにすると、酸化炭素回収装置において生成エネルギーを要さない排熱を利用しているため、二酸化炭素回収装置において、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。また、１工程の脱離工程における二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい場合には、外部熱量、減圧量、投入熱量の順に増加される、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

（４）上記形態の二酸化炭素回収装置において、前記脱離条件決定工程は、さらに、１工程の前記脱離工程における前記二酸化炭素回収量が前記目標範囲より大きく、前記投入熱量が０、かつ前記減圧量が０のとき、前記外部熱量を減少させてもよい。このようにすると、１工程の脱離工程における二酸化炭素回収量が目標範囲より大きい場合には、投入熱量、減圧量、外部熱量の順に減少される。上述の通り、外部熱は二酸化炭素回収装置における生成エネルギーが要さないため、投入熱量、減圧量、外部熱量の順に投入エネルギーを減少させると、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

（５）上記形態の二酸化炭素回収装置において、さらに、前記吸着器にパージガスを供給するパージガス供給部を備え、前記脱離工程は、さらに、前記パージガス供給部により前記吸着器へ所定のパージガス量の前記パージガスを供給するパージガス供給工程を含み、前記脱離条件決定工程は、さらに、１工程の前記脱離工程における前記二酸化炭素回収量が前記目標範囲より小さい場合、前記パージガス量が最大パージガス量より小さければ、減圧量の増加の前に、次の前記脱離工程における前記パージガス量を最大パージガス量までの範囲で増加させてもよい。このようにすると、パージガスを吸着器に供給することにより、吸着器内に吸着された二酸化炭素の分圧を低下させることができるため、二酸化炭素をより脱離しやすくすることができる。また、１工程の脱離工程における二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい場合には、パージガス量、減圧量、投入熱量の順に増加される。パージガスの供給に要する動力は小さいため、パージガス量、減圧量、投入熱量の順に投入エネルギーを増加させると、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

（６）上記形態の二酸化炭素回収装置において、前記脱離条件決定工程は、さらに、１工程の前記脱離工程における前記二酸化炭素回収量が前記目標範囲より大きい場合、前記投入熱量が０であり、かつ前記減圧量が０であれば、次の前記脱離工程における前記パージガス量を減少させてもよい。このようにすると、１工程の脱離工程における二酸化炭素回収量が目標範囲より大きい場合には、投入熱量、減圧量、パージガス量の順に減少される。パージガスの供給に要する動力は小さいため、投入熱量、減圧量、パージガス量の順に投入エネルギーを減少させると、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

（７）本発明の他の一形態によれば、炭化水素製造装置が提供される。この炭化水素製造装置は、上記形態の二酸化炭素回収装置と、前記二酸化炭素回収装置が回収した二酸化炭素と、前記パージガスとして用いられた水素との混合ガスを用いて、炭化水素化合物を生成する炭化水素生成部と、を備える。この構成によれば、炭化水素生成部に対して安定的に二酸化炭素を供給することができるため、炭化水素生成部において、安定的に炭化水素を生成することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、二酸化炭素回収方法、メタン製造方法。二酸化炭素回収装置およびメタン製造装置の制御方法、これら装置や方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

第１実施形態の二酸化炭素回収装置の概略構成を示す説明図である。 二酸化炭素回収装置における二酸化炭素回収処理の説明図である。 二酸化炭素回収装置における二酸化炭素回収処理の説明図である。 二酸化炭素回収装置における二酸化炭素回収処理の説明図である。 二酸化炭素回収装置における脱離条件決定処理のフローチャートである。 第２実施形態の二酸化炭素回収装置の概略構成を示す説明図である。 第２実施形態の二酸化炭素回収装置における脱離条件決定処理のフローチャートである。 第３実施形態のメタン製造装置の概略構成を示す説明図である。 第３実施形態の二酸化炭素回収装置における脱離条件決定処理のフローチャートである。 二酸化炭素の回収率に対する動力分配を示す説明図である。 二酸化炭素の回収率に対する動力分配を示す説明図である。 二酸化炭素の回収率に対する動力分配を示す説明図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の二酸化炭素回収装置１の概略構成を示す説明図である。二酸化炭素回収装置１は、燃焼炉や内燃機関などから排出される排ガスに含まれる二酸化炭素を回収する。二酸化炭素回収装置１は、複数の吸着器１１、１２、１３と、排ガス流路２０と、熱媒流路３０と、二酸化炭素流路３５と、サージタンク４０と、減圧ポンプ４５と、流量計５０と、制御部５５とを備える。以下の説明において、吸着器１１、１２、１３を区別しない場合は、単に、吸着器１０とも呼ぶ。

複数の吸着器１１、１２、１３は、筒状に形成され、それぞれの内部に吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａが収容されている。吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａは、二酸化炭素吸蔵性能を有する材料、例えば、ゼオライト、活性炭、シリカゲルなどである。吸着器１１、１２、１３のそれぞれには、排ガス流路２０と、熱媒流路３０と、二酸化炭素流路３５が接続されている。複数の吸着器１１、１２、１３のそれぞれには、図示しない冷媒流路が形成されている。

排ガス流路２０は、燃焼炉や内燃機関などの、二酸化炭素を含む排ガスを排出する外部の排ガス供給装置に接続されており、排ガス供給装置が排出する排ガスが流れる。排ガス流路２０を流れる排ガスは、排ガス分流路２１、２２、２３を介して、吸着器１１、１２、１３に供給される。排ガス分流路２１、２２、２３には、排ガス入口弁２１ａ、２２ａ、２３ａが設けられている。排ガス入口弁２１ａ、２２ａ、２３ａのそれぞれは、後述する制御部５５の指令に応じて、吸着器１１、１２、１３の内部への排ガスの供給を制御する。本実施形態において、二酸化炭素を含む混合ガスとして、排ガスを例示しているが、二酸化炭素を含む混合ガスは、排ガスでなくてもよい。

熱媒流路３０は、図示せざる熱媒タンクに接続され、熱媒流路３０内を熱媒が流れる。熱媒流路３０を流れる熱媒は、熱媒分流路３１、３２、３３を介して、吸着器１１、１２、１３に供給される。これにより、熱媒により吸着器１１、１２、１３に熱が投入される。熱媒流路３０には、熱媒を加熱するヒータ３０ａが設けられており、制御部５５がヒータ３０ａを制御することにより、熱媒の温度が制御される。すなわち、制御部５５により、投入熱量が制御される。本実施形態では、熱媒としてオイルを用いているが、他の実施形態では、水、スチーム、およびガスなどを用いてもよい。

熱媒分流路３１、３２、３３には、熱媒入口弁３１ａ、３２ａ、３３ａが設けられている。熱媒入口弁３１ａ、３２ａ、３３ａのそれぞれは、制御部５５の指令に応じて、吸着器１１、１２、１３への熱媒の流れを制御する。本実施形態における吸着器１１、１２、１３は、二重殻タンク（二重管）であり、熱媒は、外殻と内殻との間の間隙に流入する。これにより、熱媒により熱が吸着器１１、１２、１３内に投入される。他の実施形態では、例えば、熱媒分流路３１、３２、３３が、それぞれ、吸着器１１、１２、１３の外周に巻き付けられていてもよい。このようにしても、熱媒により吸着器１１、１２、１３内に熱を投入することができる。本実施形態における熱媒流路３０、および３０ａを、「熱供給部」とも呼ぶ。熱供給部として、吸着器１０に設けられたヒータ（例えば、電熱線、温風、光照射等）を用いてもよい。

減圧ポンプ４５は、吸着器１１、１２、１３とサージタンク４０との間の二酸化炭素流路３５に両端が接続する減圧流路４６に、設けられている。減圧流路４６には、制御部５５の指令に応じて、減圧流路４６の流れを制御する切換弁４７が設けられている。また、図１に示すように、二酸化炭素流路３５の、減圧流路４６の両端が接続する間には、制御部５５の指令に応じて、二酸化炭素流路３５の流れを制御する切換弁４８が設けられている。減圧ポンプ４５は、切換弁４８が閉じられ、切換弁４７が開かれているとき、制御部５５の指令に応じて駆動し、吸着器１１、１２、１３の内部を減圧する。本実施形態の二酸化炭素回収装置１では、減圧ポンプ４５による吸着器１０内の減圧、および吸着器１０への熱の投入の少なくともいずれか一方を行うことにより、吸着器１０内に吸着された二酸化炭素を脱離させる。

二酸化炭素流路３５は、図１に示すように、二酸化炭素分流路３６、３７、３８を介して、吸着器１１、１２、１３のそれぞれに接続されている。二酸化炭素流路３５には、吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａから脱離した二酸化炭素が流れる。二酸化炭素分流路３６、３７、３８には、二酸化炭素出口弁３６ａ、３７ａ、３８ａが設けられている。二酸化炭素出口弁３６ａ、３７ａ、３８ａのそれぞれは、制御部５５の指令に応じて、吸着器１１、１２、１３からの二酸化炭素の流れを制御する。

サージタンク４０は、二酸化炭素流路３５に設けられている。サージタンク４０は、二酸化炭素流路３５を流れる二酸化炭素を貯蔵する。

流量計５０は、二酸化炭素流路３５において、減圧流路４６が接続する位置より上流側の位置に設けられている。流量計５０は、二酸化炭素流路３５を流れる二酸化炭素の流量を検出する。流量計５０は、検出した二酸化炭素流量を制御部５５に出力する。流量計５０を、「二酸化炭素回収量取得部」とも呼ぶ。

制御部５５は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、ＣＰＵを含んで構成されるコンピュータであり、後述する二酸化炭素回収処理における吸着器１１、１２、１３の切り替えや、弁の開閉制御など、二酸化炭素回収装置１の全体の制御をおこなう。また、制御部５５は、吸着器１０から二酸化炭素を脱離させる際の減圧量、投入熱量を決定する。制御部５５の制御内容の詳細は、後述する。

図２〜図４は、二酸化炭素回収装置１における二酸化炭素回収処理の説明図である。二酸化炭素回収装置１では、３つの吸着器１１、１２、１３のそれぞれに、順番に排ガスを供給することで、排ガスから二酸化炭素を回収する。吸着器１１、１２、１３のそれぞれが、吸着材に二酸化炭素が吸着される吸着塔、吸着材に吸着された二酸化炭素が脱離される脱離塔、二酸化炭素脱離後の吸着材が冷却される冷却塔として機能する。二酸化炭素回収装置１における二酸化炭素回収処理は、図２に示す工程１、図３に示す工程２、図４に示す工程３を、その順に行い、３つの工程を合わせて１サイクルとして、複数サイクル行われる。

例えば、吸着器１３は、図２に示す工程１において吸着塔として機能し、図３に示す工程２において脱離塔として機能し、図４に示す工程３において吸着塔として機能している。図２〜４において、排ガス、熱媒、二酸化炭素の流れを太い実線で示している。図２に示すように、吸着塔として機能する吸着器１３には、排ガスが供給される。脱離塔として機能する吸着塔１２には、熱媒が供給され、吸着材から脱離した二酸化炭素が排出される。冷却塔として機能する吸着器１１には、冷媒ＣＬが供給される。図２〜４において、冷媒の供給を、破線矢印で図示している。

制御部５５において実行される二酸化炭素回収処理について、吸着器１１に着目して説明する。二酸化炭素回収処理は、吸着工程、脱離工程、および冷却工程を含む。本実施形態において、予め設定された切替時間が経過すると、各工程が切り替えられる。

吸着工程では、吸着器１１に、排ガス流路２０を用いて、排ガスを供給させる。具体的には、制御部５５は、排ガス入口弁２１ａを開くとともに、二酸化炭素出口弁３６ａを閉じるように、それぞれの弁を制御する。これにより、排ガス流路２０を流れる排ガスは、排ガス分流路２１を介して、吸着器１１に供給される。吸着器１１では、排ガスに含まれる二酸化炭素が吸着材１１ａにトラップされ、吸着材１１ａにトラップされなかった窒素や水分などは、オフガスとして二酸化炭素回収装置１の外部、例えば、大気に放出される。

次の脱離工程は、減圧ポンプ４５により吸着器１１の内圧を所定の減圧量で減圧する減圧工程と、熱媒を用いて吸着器１１へ所定の投入熱量の熱を投入する熱投入工程を含む。減圧量と投入熱量は、後述する脱離条件決定工程により決定される。なお、上述の通り、二酸化炭素回収処理において、吸着、脱離、冷却が順次行われるサイクルが繰り返し行われるため、脱離工程も繰り返し行われる。１回目の脱離工程における減圧量と投入熱量としては、予め定められた初期値を用いる。初期値としては、例えば、前回、二酸化炭素回収装置１を運転させた際の最終サイクルにおける値を用いてもよいし、固定値を用いてもよい。投入熱量の初期値を、例えば、「０」にして、減圧量の初期値を所定の値にしてもよい。このようにすると、１回目の脱離工程においては、減圧のみが行われる。

減圧工程では、減圧ポンプ４５によって吸着器１１の内部を減圧させる。具体的には、制御部５５は、排ガス入口弁２１ａを閉じるとともに、二酸化炭素出口弁３６ａを開くように、それぞれの弁を制御する。また、制御部５５は、切換弁４７を開くとともに、切換弁４８を閉じ、減圧ポンプ４５を駆動させる。これにより、吸着器１１の内部は、所定の減圧量で減圧される。これにより、吸着材１１ａにトラップされている二酸化炭素が吸着材１１ａから脱離する。本実施形態では、減圧量として、減圧ポンプ４５の駆動時間を用いている。他の実施形態では、減圧ポンプの出力を用いてもよい。

熱投入工程では、吸着器１１に、熱媒体が供給され、吸着材１１ａが昇温される。具体的には、制御部５５は、熱媒が所定の温度（投入熱量）になるようにヒータ３０ａを制御すると共に、熱媒入口弁３１ａを開くように制御する。これにより、熱媒流路３０を流れる熱媒は、熱媒分流路３１を介して、吸着器１１に供給される。これにより、吸着材１１ａにトラップされている二酸化炭素が吸着材１１ａから脱離する。後述するように、投入熱量が「０」に決定された場合、制御部５５は、熱媒入口弁３１ａを閉じる。これにより、吸着器１０への熱の投入が行われない。本実施形態では、投入熱量として、熱媒の温度を用いている。他の実施形態では、ヒータ３０ａによる加熱温度、熱媒入口弁３１ａの開度、熱媒入口弁３１ａの開時間等を用いてもよい。

次の冷却工程では、冷媒を吸着器１１に供給させて、吸着材１１ａを冷却する。これにより、吸着材１１ａは、二酸化炭素を吸着可能な状態となる。

本実施形態の二酸化炭素回収処理では、上述した二酸化炭素回収処理の３つの工程（吸着工程、脱離工程、および、冷却工程）が、３つの吸着器１１、１２、１３のいずれかにおいて行われる。例えば、吸着器１１において吸着工程が実行されているとき、吸着器１２において脱離工程が実行され、吸着器１３において冷却工程が実行さている。本実施形態の二酸化炭素回収装置１では、このようにして、いずれかの吸着器において排ガス中の野酸化炭素を吸着するとともに、他のいずれかの吸着器において吸着された酸化炭素を脱離する。これにより、定常的に、二酸化炭素を供給することが可能である。

図５は、二酸化炭素回収装置１における脱離条件決定処理のフローチャートである。脱離条件決定処理では、上記減圧工程における減圧量、および熱投入工程における投入熱量が、二酸化炭素回収量に応じて決定される。脱離条件決定処理は、１回目の脱離工程の開始と共に開始される。

ステップＳ１０２では、１工程の脱離工程における二酸化炭素回収量が取得される。制御部５５は、１工程の脱離工程の間に、流量計５０から入力された測定値の総和を算出し、二酸化炭素回収量とする。

二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい（目標範囲の下限より小さい）場合（ステップＳ１０４においてＹＥＳ）であって、その脱離工程における減圧量が最大限圧量より小さい場合（ステップＳ１０６においてＹＥＳ）、次回の脱離工程における減圧量を、最大限圧量までの範囲で、今回の脱離工程における減圧量より増加させる。ここで、「最大限圧量までの範囲」は、最大減圧量を含む。一方、その脱離工程における減圧量が最大限圧量である場合（ステップＳ１０６においてＮＯ）、次回の脱離工程における投入熱量を、今回の脱離工程における投入熱量より増加させる。減圧量および投入熱量の増加分は、特に限定しない。

二酸化炭素回収量が目標範囲より大きい（目標範囲の上限より大きい）場合（ステップＳ１１４においてＹＥＳ）であって、その脱離工程における投入熱量が０より大きい場合（ステップＳ１１６においてＹＥＳ）、次回の脱離工程における投入熱量を、今回の脱離工程における投入熱量より減少させる。一方、その脱離工程における投入熱量が０の場合、すなわち、熱が投入されていない場合（ステップＳ１１６においてＮＯ）、次回の脱離工程における減圧量を、今回の脱離工程における減圧量より減少させる。減圧量および投入熱量の減少分は、特に限定しない。

二酸化炭素回収量が目標範囲内の場合（ステップＳ１１４においてＮＯ）、ステップＳ１０２に戻る。すなわち、減圧量および投入熱量は、変更されない。

本実施形態において、次回の脱離工程は、同一の吸着器１０（例えば、吸着器１１）における次回の脱離工程（すなわち、次のサイクル）である。他の実施形態では、二酸化炭素回収処理全体における次の脱離工程でもよい。例えば、図２に示す工程１において脱離塔として機能する吸着塔１２による二酸化炭素回収量を用いて決定された減圧量、投入熱量を用いて、図３に示す工程２において脱離塔として機能する吸着器１３における脱離工程を実行してもよい。

以上説明したように、本実施形態の二酸化炭素回収装置１によれば、二酸化炭素回収量が目標範囲内になるように、脱離工程における減圧量、および投入熱量を、１工程ごとに変更することができる。そのため、二酸化炭素の回収量を安定化させることができる。

また、二酸化炭素回収装置１では、１工程の脱離工程における二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい場合には、減圧量、投入熱量の順に増加される。減圧量、投入熱量の順に投入エネルギーを増加させると、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

さらに、二酸化炭素回収装置１では、１工程の脱離工程における二酸化炭素回収量が目標範囲より大きい場合には、投入熱量、減圧量の順に減少される。投入熱量、減圧量の順に投入エネルギーを減少させると、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態の二酸化炭素回収装置１Ａの概略構成を示す説明図である。本実施形態の二酸化炭素回収装置１Ａは、第１実施形態の二酸化炭素回収装置１の構成に加え、二酸化炭素回収装置１Ａの外で生成された外部熱を吸着器１０に供給する外部熱供給路２５を備える。以下に説明する実施形態において、二酸化炭素回収装置１と同一の構成には同一の符号を付し、先行する説明を参照する。

外部熱供給路２５は、二酸化炭素回収装置１Ａの外部に在る排熱源（不図示）に接続され、外部熱供給路２５内を外部熱媒が流れる。外部熱供給路２５を流れる外部熱媒は、外部熱分流路２６、２７、２８を介して、吸着器１１、１２、１３に供給される。これにより、外部熱媒により吸着器１１、１２、１３に熱が投入される。排熱源として、例えば、二酸化炭素回収装置１の外部に在る燃焼炉や内燃機関などの発熱する物体を用いることができる。外部熱媒としては、例えば、排熱源を冷却するための冷媒であって、排熱源との熱交換により高温状態になった冷媒を用いることができる。この冷媒としては、オイル、水、スチーム、およびガスなどを用いることができる。

外部熱分流路２６、２７、２８には、外部熱媒入口弁２６ａ、２７ａ、２８ａが設けられている。外部熱媒入口弁２６ａ、２７ａ、２８ａのそれぞれは、制御部５５の指令に応じて、吸着器１１、１２、１３への外部熱媒の流れを制御する。本実施形態において、外部熱分流路２６、２７、２８が、それぞれ、吸着器１１、１２、１３の外周に巻き付けられている。これにより、外部熱媒により熱が吸着器１１、１２、１３内に投入される。他の実施形態では、例えば、吸着器１１、１２、１３が、外殻と内殻との間に中間殻を備える三重殻タンク（三重管）であり、熱媒流路３０を介して吸着器１０に供給される熱媒が中間殻と内殻との間の間隙に流入し、外部熱媒が外殻と中間殻の間の間隙に流入してもよい。このようにしても、外部熱媒により吸着器１１、１２、１３内に熱を投入することができる。吸着器１０に供給された外部熱媒は、吸着器１０に熱を投入した後、図示せざる配管を介して、排熱源へ戻されてもよい。本実施形態における外部熱供給路２５を、「外部熱供給部」とも呼ぶ。

本実施形態では、脱離塔として機能する吸着器１０に対して外部熱媒が供給される。本実施形態の二酸化炭素回収処理は、脱離工程において、減圧工程、熱投入工程に加え、吸着器１０へ所定の外部熱量の外部熱を投入する外部熱投入工程を含む。外部熱投入工程では、吸着器１１に、外部熱媒体が供給され、吸着材１１ａが昇温される。具体的には、制御部５５は、外部熱媒入口弁２６ａを開くように制御する。これにより、外部熱供給路２５を流れる外部熱媒は、外部熱分流路２６を介して、吸着器１１に供給される。制御部５５は、吸着塔１２、１３に対しても、同様の制御を行う。本実施形態では、外部熱量として、外部熱媒入口弁２６ａの開度を用いている。他の実施形態では、外部熱媒入口弁２６ａの開時間等を用いてもよい。

外部熱投入工程における外部熱量は、第１実施形態における減圧量および投入熱量と同様に、脱離条件決定処理により決定される。１回目の脱離工程における外部熱量としては、予め定められた初期値を用いる。初期値としては、例えば、前回、二酸化炭素回収装置１Ａを運転させた際の最終サイクルにおける値を用いてもよいし、固定値を用いてもよい。外部熱量の初期値を、例えば、「０」にすると、１回目の脱離工程において、外部熱が供給されない。以下に、本実施形態の二酸化炭素回収装置１Ａにおける脱離条件決定処理について、図７を用いて説明する。

図７は、第２実施形態の二酸化炭素回収装置１Ａにおける脱離条件決定処理のフローチャートである。脱離条件決定処理では、減圧工程における減圧量、熱投入工程における投入熱量、および外部熱投入工程における外部熱量が、二酸化炭素回収量に応じて決定される。本実施形態における脱離条件決定処理では、減圧量を増加させる前に外部熱量を増加させ、減圧量が「０」になったら外部熱量を減少させる。第１実施形態におけるステップと同一のステップには、同一の符号を付して、先行する説明を参照する。本実施形態においても、外部熱量脱離条件決定処理は、１回目の脱離工程の開始と共に開始される。

二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい（目標範囲の下限より小さい）場合（ステップＳ１０４においてＹＥＳ）であって、その脱離工程における外部熱量が最大外部熱量より小さければ（ステップＳ１０５においてＮＯ）、減圧量を増加させる前に、次の脱離工程における外部熱量を最大外部熱量までの範囲で、今回の脱離工程における外部熱量より増加させる（ステップＳ１０９）。外部熱量が最大外部熱量であれば（ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、ステップＳ１０６に進み、第１実施形態と同様に、減圧量の増加、投入熱量の増加を行う。外部熱量の増加分は、特に限定しない。

二酸化炭素回収量が目標範囲より大きい（目標範囲の上限より大きい）場合（ステップＳ１１４においてＹＥＳ）は、第１実施形態と同様に、投入熱量の減少、減圧量の減少を行い、減圧量が「０」になったら（ステップＳ１１７においてＮＯ）、次回の脱離工程における外部熱量を、今回の脱離工程における外部熱量より減少させる。外部熱量の減少分は、特に限定しない。脱離条件決定処理において、減圧量が「０」に決定された場合、制御部５５は、切換弁４７を閉じるとともに、切換弁４８を開き、減圧ポンプ４５を停止させる。

二酸化炭素回収量が目標範囲内の場合（ステップＳ１１４においてＮＯ）、ステップＳ１０２に戻る。すなわち、外部熱量、減圧量および投入熱量は、変更されない。

以上説明したように、本実施形態の二酸化炭素回収装置１Ａは、外部熱供給路２５を備えるため、第１実施形態よりさらに多くの熱を吸着器１０に供給することができる。また、外部熱として、二酸化炭素回収装置１Ａにおいて生成エネルギーを要さない排熱を利用しているため、二酸化炭素回収装置１Ａにおいて、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

本実施形態の二酸化炭素回収装置１Ａによれば、二酸化炭素回収量が目標範囲内になるように、脱離工程における外部熱量、減圧量、および投入熱量を、１工程ごとに変更することができる。そのため、二酸化炭素の回収量を安定化させることができる。

また、二酸化炭素回収装置１Ａでは、１工程の脱離工程における二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい場合には、外部熱量、減圧量、投入熱量の順に増加される。外部熱は、外部で熱が生成されているため、二酸化炭素回収装置１Ａにおいて生成エネルギーを要さないため、外部熱量、減圧量、投入熱量の順に投入エネルギーを増加させると、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

さらに、二酸化炭素回収装置１Ａでは、１工程の脱離工程における二酸化炭素回収量が目標範囲より大きい場合には、投入熱量、減圧量、外部熱量の順に減少される。上述の通り、外部熱は二酸化炭素回収装置１Ａにおける生成エネルギーが要さないため、投入熱量、減圧量、外部熱量の順に投入エネルギーを減少させると、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

＜第３実施形態＞
図８は、第３実施形態のメタン製造装置５の概略構成を示す説明図である。本実施形態のメタン製造装置５は、二酸化炭素（ＣＯ₂）と水素（Ｈ₂）との混合ガスを用いて、メタン（ＣＨ₄）を製造する装置であり、二酸化炭素回収装置１Ｂとメタン生成部８を備える。なお、本実施形態は、ＣＨ₄以外の炭化水素化合物を製造する炭化水素製造装置にも適用可能であり、例えば、エタンやプロパンなどの炭素と水素とから構成される化合物やメタノールなどの主に炭素と水素とから構成される化合物を「炭化水素化合物」として製造する「炭化水素製造装置」にも適用可能である。

本実施形態の二酸化炭素回収装置１Ｂは、第１実施形態の二酸化炭素回収装置１の構成に加え、パージガスとしての水素を吸着器１０に供給するパージガス流路７０を備える。また、二酸化炭素回収装置１Ｂにおける二酸化炭素流路３５には、吸着器１０から脱離された二酸化炭素とパージガスとしての水素を含む混合ガスが流れる。二酸化炭素流路３５には、混合ガスの組成を分析可能な分析計６０が設けられており、制御部５５は、流量計５０と分析計６０から入力される情報を用いて、二酸化炭素回収量を算出する。以下に説明する実施形態において、二酸化炭素回収装置１と同一の構成には同一の符号を付し、先行する説明を参照する。本実施形態における流量計５０、分析計６０を合わせて「二酸化炭素回収量取得部」とも呼ぶ。

パージガス流路７０は、吸着器１１、１２、１３の内部に、パージガスを供給する外部のパージガス供給部に接続している。本実施形態では、パージガスとしては、上述の通り、二酸化炭素回収装置１の後段に設けられるメタン生成部８でのメタンの生成反応に用いられる水素を用いる。パージガス流路７０には、制御部５５の指令に応じて、パージガス流路７０を流れる水素の流量を調整する流量制御器７０ａが設けられている。パージガス流路７０を流れる水素は、パージガス分流路７１、７２、７３を介して、吸着器１１、１２、１３に供給される。パージガス分流路７１、７２、７３には、パージガス入口弁７１ａ、７２ａ、７３ａ、７４ａが設けられている。パージガス入口弁７１ａ、７２ａ、７３ａのそれぞれは、制御部７５の指令に応じて、吸着器１１、１２、１３の内部への水素の流れを制御する。

本実施形態では、脱離塔として機能する吸着器１０に対してパージガスとしての水素が供給される。本実施形態の二酸化炭素回収処理は、脱離工程において、減圧工程、熱投入工程に加え、吸着器１０へ所定のパージガス量のパージガスを投入するパージガス供給工程を含む。パージガス供給工程において、制御部５５は、排ガス入口弁２１ａを閉じるとともに、パージガス入口弁７１ａと二酸化炭素出口弁３６ａを開くように、それぞれの弁を制御する。これにより、パージガス流路７０を流れる水素は、パージガス分流路７１を介して、吸着器１１に供給される。パージガス供給工程において、吸着器１１にパージガスが供給されると、吸着器１１内部の二酸化炭素の分圧が低下するため、吸着材１１ａに吸着されている二酸化炭素が吸着材１１ａから脱離する。吸着材１１ａから脱離した二酸化炭素は、吸着器１１内部において水素と混合される。吸着器１１内部の二酸化炭素と水素（パージガス）との混合ガスは、吸着器１１内部から取り出され、二酸化炭素分流路３６を介して二酸化炭素流路３５を流れる。制御部５５は、吸着塔１２、１３に対しても、同様の制御を行う。本実施形態では、パージガス量として、流量制御器７０ａの制御流量を用いている。他の実施形態では、パージガス入口弁７１ａの開度、開時間等を用いてもよい。

外部熱投入工程におけるパージガス量は、第１実施形態における減圧量および投入熱量と同様に、脱離条件決定処理により決定される。１回目の脱離工程におけるパージガス量としては、予め定められた初期値を用いる。初期値としては、例えば、前回、二酸化炭素回収装置１Ｂを運転させた際の最終サイクルにおける値を用いてもよいし、固定値を用いてもよい。パージガス量の初期値を、例えば、「０」にすると、１回目の脱離工程において、パージガスが供給されない。以下に、本実施形態の二酸化炭素回収装置１Ｂにおける脱離条件決定処理について、図９を用いて説明する。

図９は、第３実施形態の二酸化炭素回収装置１Ｂにおける脱離条件決定処理のフローチャートである。脱離条件決定処理では、減圧工程における減圧量、熱投入工程における投入熱量、およびパージガス供給工程におけるパージガス量が、二酸化炭素回収量に応じて決定される。本実施形態における脱離条件決定処理では、減圧量を増加させる前にパージガス量を増加させ、減圧量が「０」になったらパージガス量を減少させる。第１実施形態におけるステップと同一のステップには、同一の符号を付して、先行する説明を参照する。本実施形態においても、外部熱量脱離条件決定処理は、１回目の脱離工程の開始と共に開始される。

二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい（目標範囲の下限より小さい）場合（ステップＳ１０４においてＹＥＳ）であって、その脱離工程におけるパージガス量が最大パージガス量より小さければ（ステップＳ１０７においてＹＥＳ）、減圧量を増加させる前に、次の脱離工程におけるパージガス量を最大パージガス量までの範囲で、今回の脱離工程におけるパージガス量より増加させる（ステップＳ１１１）。パージガス量が最大パージガス量であれば（ステップＳ１０７においてＮＯ）、ステップＳ１０６に進み、第１実施形態と同様に、減圧量の増加、投入熱量の増加を行う。パージガス量の増加分は、特に限定しない。

二酸化炭素回収量が目標範囲より大きい（目標範囲の上限より大きい）場合（ステップＳ１１４においてＹＥＳ）は、第１実施形態と同様に、投入熱量の減少、減圧量の減少を行い、減圧量が「０」になったら（ステップＳ１１７においてＮＯ）、次回の脱離工程におけるパージガス量を、今回の脱離工程におけるパージガス量より減少させる。パージガス量の減少分は、特に限定しない。

二酸化炭素回収量が目標範囲内の場合（ステップＳ１１４においてＮＯ）、ステップＳ１０２に戻る。すなわち、パージガス量、減圧量および投入熱量は、変更されない。

以上説明したように、本実施形態の二酸化炭素回収装置１Ｂは、パージガス流路７０を備えるため、パージガスを吸着器１０に供給することにより、吸着器１０内に吸着された二酸化炭素の分圧を低下させることができるため、二酸化炭素をより脱離しやすくすることができる。

また、本実施形態の二酸化炭素回収装置１Ｂでは、パージガスとして水素を用いている。二酸化炭素回収装置１Ｂの後段に配置されるメタン生成部８は、二酸化炭素と水素を用いてメタンを生成するため、パージガスとして水素を用いると、吸着器１０から排出されるガスが二酸化炭素と水素とを含む混合ガスになるため、メタン生成部８において生成されるメタンの純度を向上させることができる。

また、パージガスとしての水素は、例えば、水電解装置を用いて生成すると、極めて小さい動力で高圧化可能であるため、パージガスの供給に要する動力が小さい。そのため、二酸化炭素回収装置１Ｂにおいて、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

二酸化炭素回収装置１Ｂでは、二酸化炭素回収量が目標範囲内になるように、脱離工程におけるパージガス量、減圧量、および投入熱量を、１工程ごとに変更することができる。そのため、二酸化炭素の回収量を安定化させることができる。

二酸化炭素回収装置１Ｂでは、１工程の脱離工程における二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい場合には、パージガス量、減圧量、投入熱量の順に増加される。上述の通り、パージガスの供給に要する動力は小さいため、パージガス量、減圧量、投入熱量の順に投入エネルギーを増加させると、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

さらに、二酸化炭素回収装置１Ｂでは、１工程の脱離工程における二酸化炭素回収量が目標範囲より大きい場合には、投入熱量、減圧量、パージガス量の順に減少される。上述の通り、パージガスの供給に要する動力は小さいため、投入熱量、減圧量、パージガス量の順に投入エネルギーを減少させると、目標範囲内の二酸化炭素を回収するために消費される動力を低下させることができる。

＜動力分配の検討＞
図１０〜図１２は、二酸化炭素の回収率に対する動力分配を示す説明図である。図１０〜１２では、二酸化炭素の回収率に対して、最小の消費動力になるような各機器への動力分配の実験結果を示す。図１０は、第３実施形態の二酸化炭素回収装置１Ｂにおいて、回収したパージガス、二酸化炭素をコンプレッサで昇圧貯蔵した実験結果を示す。図１１は、第３実施形態の二酸化炭素回収装置１Ｂにおいて、熱媒流路３０に換えて、第２実施形態の外部熱供給路２５を備える構成を用いて実験を行った。この例では、一定量αの排熱を、常に投入している。排熱の供給は、投入エネルギーを要さないため、図１１には、表われない。高い二酸化炭素回収率が必要な場合に、パージガス供給、減圧の順に導入する。図１２は、第３実施形態の二酸化炭素回収装置１Ｂを用いた実験結果を示す。コンプレッサを備えないため、パージガス供給に要する動力がゼロであるため、図１２には表われない。高い二酸化炭素回収率が必要な場合に、減圧、熱投入、の順に導入する。

＜上記実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・上記第３実施形態の二酸化炭素回収装置１Ｂの構成に、第２実施形態の外部熱供給路２５を加えてもよい。このようにすると、さらに、低い消費動力で高い二酸化炭素回収率を実現することができる。なお、この場合、外部熱、パージガス、減圧、熱の順に投入することにより、より低い消費電力を実現することができる。

・上記実施形態において、二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい場合と、大きい場合と、両方の場合に、減圧量、投入熱量、外部熱量、パージガス量を増減させる例を示したが、二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい場合にのみ、減圧量、投入熱量、外部熱量、パージガス量を変更（増加)させる構成にしてもよい。

・第１回目の脱離工程における減圧量、投入熱量、外部熱量、パージガス量の初期値を「０」に設定してもよい。

・吸着器１０の数は、上記実施形態に限定されず、２つ以下でもよいし、４つ以上でもよい。例えば、吸着器１０が１つの場合には、１つの吸着器１０に対して、順次、吸着工程、脱離工程、冷却工程を行えばよい。吸着器を複数備えると、各工程の待機時間を短くすることができ、二酸化炭素回収装置１における二酸化炭素回収効率を向上させることができるため、好ましい。

・二酸化炭素回収量として、二酸化炭素回収率を用いてもよい。その場合には、二酸化炭素回収装置が、吸着器１０に流入する二酸化炭素流量を測る手段を備え、制御部が、二酸化炭素流入量に対する脱離工程における二酸化炭素回収量を算出してもよい。

・パージガスとして、水素以外のガスを用いてもよい。

・上記実施形態におけるサージタンクを備えなくてもよい。サージタンクがある場合、混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂を安定させることができるほか、Ｈ₂の流量を逐次調整しなくてもＨ₂／ＣＯ₂を目標の範囲内とすることができるため、好ましい。

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

５…メタン製造装置
８…メタン生成部
１０〜１３…吸着器
２０…排ガス流路
２５…外部熱供給路
２６…外部熱分流路
３０…熱媒流路
３０ａ…ヒータ
３５…二酸化炭素流路
４０…サージタンク
４５…減圧ポンプ
５０…流量計
５５…制御部
６０…分析計
７０…パージガス流路
７５…制御部
ＣＬ…冷媒

Claims (8)

1. 二酸化炭素回収装置であって、
   二酸化炭素を吸着可能な吸着材を内部に収容する吸着器と、
   前記吸着器の内部を減圧する減圧ポンプと、
   熱を生成し、生成した熱を前記吸着器に投入する熱供給部と、
   前記減圧ポンプおよび前記熱供給部を制御して、前記吸着材に吸着された二酸化炭素を前記吸着器から取り出す脱離工程を、繰り返し実行可能な制御部と、
   前記脱離工程により回収された二酸化炭素回収量を取得する二酸化炭素回収量取得部と、
   を備え、
   前記脱離工程は、
   前記減圧ポンプにより前記吸着器の内圧を所定の減圧量で減圧する減圧工程と、
   前記熱供給部により前記吸着器へ所定の投入熱量の熱を投入する熱投入工程と、
   を含み、
   前記制御部は、さらに、
   １工程の前記脱離工程における前記二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい場合に、
   前記減圧量が最大減圧量より小さければ、次の前記脱離工程における前記減圧量を、最大減圧量までの範囲で増加させ、
   前記減圧量が前記最大減圧量であれば、次の前記脱離工程における前記投入熱量を増加させる、脱離条件決定工程を実行可能である、
   二酸化炭素回収装置。
2. 請求項１に記載の二酸化炭素回収装置であって、
   前記脱離条件決定工程は、さらに、
   １工程の前記脱離工程における前記二酸化炭素回収量が前記目標範囲より大きい場合に、
   前記投入熱量が０より大きければ、次の前記脱離工程における前記投入熱量を減少させ、
   前記投入熱量が０であれば、次の前記脱離工程における前記減圧量を減少させる、
   二酸化炭素回収装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の二酸化炭素回収装置は、さらに、
   前記二酸化炭素回収装置の外で生成された外部熱を前記吸着器に投入する外部熱供給部を備え、
   前記脱離工程は、さらに、
   前記外部熱供給部により前記吸着器へ所定の外部熱量の前記外部熱を投入する外部熱投入工程を含み、
   前記脱離条件決定工程は、
   １工程の前記脱離工程における前記二酸化炭素回収量が前記目標範囲より小さい場合、前記外部熱量が最大外部熱量より小さければ、減圧量を増加させる前に、次の前記脱離工程における前記外部熱量を最大外部熱量までの範囲で増加させる、
   二酸化炭素回収装置。
4. 請求項３に記載の二酸化炭素回収装置であって、
   前記脱離条件決定工程は、さらに、
   １工程の前記脱離工程における前記二酸化炭素回収量が前記目標範囲より大きく、前記投入熱量が０、かつ前記減圧量が０のとき、前記外部熱量を減少させる、
   二酸化炭素回収装置。
5. 請求項１から請求項４に記載の二酸化炭素回収装置は、さらに、
   前記吸着器にパージガスを供給するパージガス供給部を備え、
   前記脱離工程は、さらに、
   前記パージガス供給部により前記吸着器へ所定のパージガス量の前記パージガスを供給するパージガス供給工程を含み、
   前記脱離条件決定工程は、さらに、
   １工程の前記脱離工程における前記二酸化炭素回収量が前記目標範囲より小さい場合、
   前記パージガス量が最大パージガス量より小さければ、減圧量の増加の前に、次の前記脱離工程における前記パージガス量を最大パージガス量までの範囲で増加させる、
   二酸化炭素回収装置。
6. 請求項５に記載の二酸化炭素回収装置であって、
   前記脱離条件決定工程は、さらに、
   １工程の前記脱離工程における前記二酸化炭素回収量が前記目標範囲より大きい場合、
   前記投入熱量が０であり、かつ前記減圧量が０であれば、次の前記脱離工程における前記パージガス量を減少させる、
   二酸化炭素回収装置。
7. 炭化水素製造装置であって、
   請求項５または請求項６に記載の二酸化炭素回収装置と、
   前記二酸化炭素回収装置が回収した二酸化炭素と、前記パージガスとして用いられた水素との混合ガスを用いて、炭化水素化合物を生成する炭化水素生成部と、を備える、
   炭化水素製造装置。
8. 二酸化炭素回収方法であって、
   二酸化炭素を吸着可能な吸着材を内部に収容する吸着器に、二酸化炭素を含むガスを供給して、前記吸着材に二酸化炭素を吸着させる吸着工程と、
   前記吸着器の内部を所定の減圧量で減圧すると共に、所定の投入熱量の熱を投入することによって、前記吸着材に吸着している二酸化炭素を前記吸着器内部から取り出す脱離工程と、
   １工程の前記脱離工程における二酸化炭素回収量を取得する二酸化炭素回収量取得工程と、
   １工程の前記脱離工程における前記二酸化炭素回収量が目標範囲より小さい場合に、
   前記減圧量が最大減圧量より小さければ、次の前記脱離工程における前記減圧量を、最大減圧量までの範囲で増加させ、前記減圧量が前記最大減圧量であれば、次の前記脱離工程における前記投入熱量を増加させる、脱離条件決定工程と、
   を備える、
   二酸化炭素回収方法。

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