JP2023108268A - Ｃｏ２回収方法およびｃｏ２回収装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】様々な施設から排出される燃焼排ガス等の対象ガスに適用されるＣＯ２回収方法およびＣＯ２回収装置において、消費エネルギーを削減すること。【解決手段】ＣＯ２を含有し１００℃以上の温度を有する対象ガスと水との熱交換により、対象ガスの温度を１００℃未満に低下させると共に、水から水蒸気を発生させる、熱交換工程と、熱交換工程により、温度が低下した対象ガス中のＣＯ２を吸着剤に吸着させる、吸着工程と、吸着工程によりＣＯ２が吸着した吸着剤に対して、熱交換工程で得られた水蒸気を接触させることにより、吸着剤からＣＯ２を脱離させ、水蒸気中に移行させる、脱離工程と、脱離工程において得られるＣＯ２を含む水蒸気からＣＯ２を分離する、分離工程と、を備える、ＣＯ２回収方法。【選択図】図１
Description
本開示は、ＣＯ２回収方法およびＣＯ２回収装置に関する。
地球温暖化ガスである二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量を削減するために、発電所、製鉄所等から排出される燃焼排ガスのようなＣＯ２を含む対象ガスから、ＣＯ２を回収する方法について、様々な検討が進められている。
例えば、特許文献１（特開２０１７－５６３８３号公報）、特許文献２（特開２０１０－６９３９８号公報）には、ＣＯ２吸着剤に対象ガス中のＣＯ２を吸着させた後、吸着剤に（対象ガスよりもＣＯ２分圧が低い）蒸気を供給することで、吸着剤からＣＯ２を脱離させ、対象ガスからＣＯ２を回収する方法が開示されている。
特許文献３（特開２００９－２６２０８６号公報）には、ＣＯ２吸着剤としてゼオライトを用い、燃焼排ガスが有する熱を用いてゼオライトを昇温することで、ゼオライトからＣＯ２を脱離させる方法が開示されている。
また、例えば、特許文献４（特開２０１８－１１４４６４号公報）には、圧力スイング吸着法によりＣＯ２を含むガスからＣＯ２を回収する方法が開示されている。圧力スイング吸着法では、吸着剤を備えた吸着塔内での圧力差によって、吸着剤にＣＯ２を吸着および脱離させる。
特許文献１および２に記載の方法では、蒸気を得るための加熱時にエネルギーが必要である。このエネルギーの使用に伴い、間接的にＣＯ２を排出することとなり、ＣＯ２排出量の削減効果が低減してしまう。
なお、特許文献１には、蒸気を得るための消費エネルギーが少ない（蒸発熱が小さい）アルコール等の揮発性溶媒の蒸気を用いることで、蒸気を得るため消費エネルギーを低減することが記載されている。
しかし、ＣＯ２を含む蒸気の温度を低下させて蒸気を凝縮させることでＣＯ２を気液分離するためには、揮発性溶媒の蒸気よりも凝縮しやすい水蒸気を用いることが望ましい。
また、気液分離後に回収されたＣＯ２中にも飽和蒸気圧分の再生用の熱媒が混入し、熱媒がロスするため、熱媒は常時供給する必要がある。このため、別途、準備した揮発性溶媒を用いるよりも、燃焼排ガス中に含まれる水（水蒸気）を熱媒として利用することが好ましい。
また、回収されたＣＯ２は様々な用途への利用が想定されるが、ＣＯ２に混入する不純物として揮発性溶媒よりも水の方が許容される場合が多い。例えば、アルコールは植物ハウスに供給することはできないが、水であれば許容される。
以上の理由より、水（水蒸気）を熱媒として利用することが好ましい。
しかし、ＣＯ２を含む蒸気の温度を低下させて蒸気を凝縮させることでＣＯ２を気液分離するためには、揮発性溶媒の蒸気よりも凝縮しやすい水蒸気を用いることが望ましい。
また、気液分離後に回収されたＣＯ２中にも飽和蒸気圧分の再生用の熱媒が混入し、熱媒がロスするため、熱媒は常時供給する必要がある。このため、別途、準備した揮発性溶媒を用いるよりも、燃焼排ガス中に含まれる水（水蒸気）を熱媒として利用することが好ましい。
また、回収されたＣＯ２は様々な用途への利用が想定されるが、ＣＯ２に混入する不純物として揮発性溶媒よりも水の方が許容される場合が多い。例えば、アルコールは植物ハウスに供給することはできないが、水であれば許容される。
以上の理由より、水（水蒸気）を熱媒として利用することが好ましい。
特許文献２では、水蒸気を用いるが、火力発電プラント等において発生する水蒸気をそのまま使用するため、水蒸気を発生させるための消費エネルギーは削減される。しかし、ＣＯ２回収装置を火力発電プラント等の水蒸気が発生する施設の近くに設置する必要があり、ＣＯ２回収装置の設置場所が限定される。また、ごみ焼却場、ボイラ設備などの水蒸気を発生しない施設に適用することができない。
また、特許文献３において、ゼオライトは吸湿性が高いため、水分吸着によりＣＯ２吸着が阻害される。ここで、燃焼排ガスは水蒸気を含む場合が多く、吸着剤としてゼオライトを用いる場合は、実際には吸着剤の前段階に除湿機構等が必要になるという問題がある。
なお、燃焼排ガスが有する熱をゼオライトに与える場合、例えば、特許文献３の図５のように、吸着塔の中に排ガスが流通するための流路を設ける必要があり、吸着塔構造が複雑になるためコストが相対的に高くなり、流路の分だけ吸着塔のサイズが大きくなるといった問題がある。また、吸着塔内に設置される排ガス（熱媒）の流路に接するゼオライトは温度が上がり易いが、流路から離れたゼオライトは温度が上がりにくい。
また、特許文献４に開示されるような圧力スイング吸着法を用いる場合、吸着塔内での圧力差によって吸着剤にＣＯ２を吸着および脱離させるために、真空ポンプ、ガスコンプレッサー等の動力（電力エネルギー）が必要である。このエネルギー消費に伴い、間接的に火力発電等においてＣＯ２を排出することとなり、ＣＯ２排出量の削減効果が低減されてしまう。
本開示の目的は、様々な施設から排出される燃焼排ガス等の対象ガスに適用されるＣＯ２回収方法およびＣＯ２回収装置において、消費エネルギーを削減することである。
〔１〕 ＣＯ２を含有し１００℃以上の温度を有する対象ガスと水との熱交換により、前記対象ガスの温度を１００℃未満に低下させると共に、前記水から水蒸気を発生させる、熱交換工程と、
前記熱交換工程により、温度が低下した前記対象ガス中のＣＯ２を吸着剤に吸着させる、吸着工程と、
前記吸着工程によりＣＯ２が吸着した前記吸着剤に対して、前記熱交換工程で得られた前記水蒸気を接触させることにより、前記ＣＯ２を吸着剤から脱離させ、前記水蒸気中に移行させる、脱離工程と、
前記脱離工程において得られるＣＯ２を含む水蒸気からＣＯ２を分離する、分離工程と、
を備える、ＣＯ２回収方法。
前記熱交換工程により、温度が低下した前記対象ガス中のＣＯ２を吸着剤に吸着させる、吸着工程と、
前記吸着工程によりＣＯ２が吸着した前記吸着剤に対して、前記熱交換工程で得られた前記水蒸気を接触させることにより、前記ＣＯ２を吸着剤から脱離させ、前記水蒸気中に移行させる、脱離工程と、
前記脱離工程において得られるＣＯ２を含む水蒸気からＣＯ２を分離する、分離工程と、
を備える、ＣＯ２回収方法。
〔２〕 前記水は、前記対象ガス中に含まれる水蒸気の凝縮水、および、前記脱離工程で用いた前記水蒸気の凝縮水の少なくともいずれかを含む、〔１〕に記載のＣＯ２回収方法。
〔３〕 前記分離工程において、
前記脱離工程において得られるＣＯ２を含有する水蒸気を冷却し、凝縮水とＣＯ２とに気液分離することにより、ＣＯ２を分離する、〔１〕または〔２〕に記載のＣＯ２回収方法。
前記脱離工程において得られるＣＯ２を含有する水蒸気を冷却し、凝縮水とＣＯ２とに気液分離することにより、ＣＯ２を分離する、〔１〕または〔２〕に記載のＣＯ２回収方法。
〔４〕 前記脱離工程において得られるＣＯ２を含有する水蒸気のうち、脱離工程の開始時から所定時間までに得られる水蒸気を廃棄し、前記所定時間後に得られる水蒸気を前記分離工程に供する、〔１〕～〔３〕のいずれかに記載のＣＯ２回収方法。
〔５〕 〔１〕～〔４〕のいずれかに記載のＣＯ２回収方法に用いられるＣＯ２回収装置であって、
前記熱交換工程を実施するための熱交換器と、
前記吸着工程および前記脱離工程を実施するための前記吸着剤を有する吸着塔と、
前記分離工程を実施するための分離器具と、
を備える、ＣＯ２回収装置。
前記熱交換工程を実施するための熱交換器と、
前記吸着工程および前記脱離工程を実施するための前記吸着剤を有する吸着塔と、
前記分離工程を実施するための分離器具と、
を備える、ＣＯ２回収装置。
〔６〕 前記吸着塔は、第１吸着塔および第２吸着塔を含む、〔５〕に記載のＣＯ２回収装置。
本開示によれば、様々な施設から排出される燃焼排ガス等の対象ガスに適用されるＣＯ２回収方法およびＣＯ２回収装置において、消費エネルギーを削減することができる。
以下、本実施形態のＣＯ２回収方法およびＣＯ２回収装置について説明する。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。
〔ＣＯ２回収方法およびＣＯ２回収装置〕
図１を参照して、本実施形態のＣＯ２回収方法は、少なくとも、熱交換工程（Ｓ１０）、吸着工程（Ｓ２０）、脱離工程（Ｓ３０）および分離工程（Ｓ４０）を備える。
図１を参照して、本実施形態のＣＯ２回収方法は、少なくとも、熱交換工程（Ｓ１０）、吸着工程（Ｓ２０）、脱離工程（Ｓ３０）および分離工程（Ｓ４０）を備える。
ＣＯ２回収方法の詳細を説明する前に、本実施形態のＣＯ２回収方法に用いられるＣＯ２回収装置の一例について、図２を参照して簡単に説明する。
本実施形態のＣＯ２回収装置は、少なくとも、
熱交換工程を実施するための熱交換器１と、
吸着工程および脱離工程を実施するための吸着剤を有する吸着塔と、
分離工程を実施するための分離器具（例えば、凝縮器６および気液分離器２２）と、
を備える。
本実施形態のＣＯ２回収装置は、少なくとも、
熱交換工程を実施するための熱交換器１と、
吸着工程および脱離工程を実施するための吸着剤を有する吸着塔と、
分離工程を実施するための分離器具（例えば、凝縮器６および気液分離器２２）と、
を備える。
以下、図１および図２を参照しつつ、本実施形態のＣＯ２回収方法およびＣＯ２回収装置について説明する。
＜熱交換工程：Ｓ１０＞
熱交換工程では、ＣＯ２を含有し１００℃以上の温度を有する対象ガスと水との熱交換により、対象ガスの温度を１００℃未満に低下させると共に、水から水蒸気を発生させる。
熱交換工程では、ＣＯ２を含有し１００℃以上の温度を有する対象ガスと水との熱交換により、対象ガスの温度を１００℃未満に低下させると共に、水から水蒸気を発生させる。
対象ガスは、ＣＯ２を含有し１００℃以上の温度を有する気体であれば、特に限定されない。対象ガスは、例えば、本開示のＣＯ２回収方法の対象とならなければ、大気中にそのまま排出され大気中へＣＯ２を排出することとなる排ガスである。そのような排ガスとしては、例えば、火力発電所、ボイラ等から排出される燃焼排ガスが挙げられる。
対象ガスの温度は、１００℃以上であり、好ましくは１０５～３００℃であり、より好ましくは１２０～３００℃である。
対象ガス中に含まれるＣＯ２の濃度は、好ましくは１～２０体積ｐｐｍであり、より好ましくは５～２０体積ｐｐｍである。
図２に示すＣＯ２回収装置において、対象ガスと水との熱交換は、熱交換器１（スチーム発生器）において実施される。対象ガスとの熱交換によって水から水蒸気を発生する方法としては、種々公知の方法を用いることができる。例えば、特開平５－１０６８０５号公報に記載される方法を用いることができる。熱交換器１としても、特に限定されず種々公知のものを用いることができる。熱交換器１としては、例えば、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器等が挙げられる。なお、本発明における総合的な消費エネルギーの削減効果が得られる範囲において、電気ヒータ等を用いて水の気化をアシストしてもよい。
このような対象ガスと水との熱交換により、対象ガスの温度を１００℃未満（例えば、常温）に低下させると共に、水を昇温して水蒸気に変換させることで、水蒸気が発生する。
特許文献４に開示されるような圧力差を用いた圧力吸着法においては、真空ポンプ、圧縮機等の動力源としてエネルギーが必要である。一方、温度差を用いた温度吸着法でも、加温のためのヒータ等の熱源としてエネルギーが必要である。なお、特許文献１～３では、この消費エネルギーの低減について検討されているが、上述の問題がある。これに対して、本実施形態においては、温度吸着法において、対象ガスの熱源を利用して水蒸気を発生させ、この水蒸気を熱媒として用いることで、エネルギー消費量を削減することができ、様々な施設から排出される燃焼排ガス等に対してＣＯ２回収を実施することができる。
なお、熱交換工程において水蒸気に変換される水は、対象ガス中に含まれる水蒸気の凝縮水、および、脱離工程で用いた水蒸気の凝縮水の少なくともいずれかを含む、ことが好ましい。この場合、水蒸気用の水を外部から供給する必要がないか、または、外部からの水の供給量が少なくて済むという利点がある。
図２に示すＣＯ２回収装置において、「対象ガス中に含まれる水蒸気の凝縮水」は、対象ガスが水蒸気を含む場合に、熱交換によって温度が低下した対象ガスが気液分離器２１に供給されることによって得られる。具体的には、熱交換器１を通過し温度が低下した対象ガスが、熱交換器１から気液分離器２１に移送される。そして、気液分離器２１において対象ガスから凝縮水が分離され、その凝縮水が熱交換器１に移送されて再び水蒸気に変換される。
また、図２に示すＣＯ２回収装置において、「脱離工程で用いた水蒸気の凝縮水」は、吸着塔（第１吸着塔３１または第２吸着塔３２）を通過したＣＯ２を含む水蒸気が分離器具（凝縮器６および気液分離器２２）に供給されることによって得られる。すなわち、気液分離器２２において分離された凝縮水が、熱交換器１に移送されて再び水蒸気に変換される。
なお、消費エネルギー削減の観点からは、気液分離器２１および気液分離器２２で液相に凝縮した水分（凝縮水）を熱交換器１に移送する際は、送液ポンプを用いずに、凝縮水のヘッド（水頭）を利用して凝縮水を移送することが好ましい。
＜吸着工程：Ｓ２０＞
吸着工程では、熱交換工程により、温度が低下した対象ガス中のＣＯ２を吸着剤に吸着させる。
吸着工程では、熱交換工程により、温度が低下した対象ガス中のＣＯ２を吸着剤に吸着させる。
図２に示すＣＯ２回収装置においては、熱交換器１における熱交換により温度が低下した対象ガスが、ブロワ４により吸着剤を有する吸着塔（第１吸着塔３１または第２吸着塔３２）に供給されることにより、対象ガス中のＣＯ２の少なくとも一部が吸着剤に吸着する。
なお、吸着塔に対象ガスを導入するためのブロワ４は、ＣＯ２回収装置内の配管の圧力損失に相当する昇圧を実施できれば十分であるため、ブロワ４での消費エネルギーも必要最小限に抑えることができる。
（吸着剤）
吸着剤（ＣＯ２吸着剤）は、対象ガス中に含まれるＣＯ２を吸着し、水蒸気によってＣＯ２を脱離させることが可能な吸着剤であれば、特に限定されない。吸着剤は、多孔質材料であることが好ましい。
吸着剤（ＣＯ２吸着剤）は、対象ガス中に含まれるＣＯ２を吸着し、水蒸気によってＣＯ２を脱離させることが可能な吸着剤であれば、特に限定されない。吸着剤は、多孔質材料であることが好ましい。
吸着剤としては、例えば、活性炭、活性金属酸化物（活性アルミナ、活性シリカ等）、アルカリ金属含有無機固体、固体アミン（アミンを多孔質支持体に担持させてなる固体）、イオン交換樹脂、多孔質樹脂、金属有機構造体（ＭＯＦ：Metal organic framework）、有機構造体（ＣＯＦ：Covalent organic framework）などが挙げられる。吸着剤は、単位体積当たりのＣＯ２の吸着量が多いことが好ましい。
アルカリ金属含有無機固体は、アルカリ金属を含む多孔質の無機固体である。アルカリ金属含有無機固体に含まれるアルカリ金属としては、例えば、Ｎａ、Ｌｉなどが挙げられ、好ましくはＮａである。
アルカリ金属含有無機固体は、好ましくはアルカリ金属フェライト（アルカリ金属および鉄を含む酸化物）である。アルカリ金属フェライトとしては、例えば、ＮａＦｅＯ２（ナトリウムフェライト）、ＬｉＦｅＯ２（リチウムフェライト）が挙げられる。なお、アルカリ金属含有無機固体に対して、ＣＯ２は化学反応によりＣＯ２含有化合物としてトラップされる。このようなトラップは一般的な吸着現象とは異なるが、このようなトラップも本開示における「吸着剤へのＣＯ２の吸着」に包含される。
なお、吸着剤は、吸湿性が低いことが好ましく、水分が実質的に吸着しない材料、または、１００℃程度に加熱することで容易に水分が脱離する材料であることがより好ましい。水分吸着によりＣＯ２吸着が阻害されるためである。例えば、ゼオライト等はＣＯ２を吸着できるが吸湿性が高いため、吸着剤としてはこれら以外の吸着剤を用いることが好ましい。特に、水分の脱離に高温を要すゼオライト等は、本実施形態で用いる吸着剤として適さない。
吸着剤として、水分の影響を受けにくい（吸湿性が低い）吸着剤を使用することで、吸着塔の上流側に除湿機構を設ける必要がなく、装置を構成する部品点数を削減でき、除湿に伴うエネルギー消費も削減できる。
吸着剤の形状としては、特に限定されないが、例えば、粒状、ハニカム形状などが挙げられる。
＜脱離工程：Ｓ３０＞
脱離工程では、吸着工程によりＣＯ２が吸着した吸着剤に対して、熱交換工程で得られた水蒸気を接触させる（吸着剤を昇温する）ことにより、ＣＯ２を吸着剤から脱離させ、水蒸気中に移行させる。
脱離工程では、吸着工程によりＣＯ２が吸着した吸着剤に対して、熱交換工程で得られた水蒸気を接触させる（吸着剤を昇温する）ことにより、ＣＯ２を吸着剤から脱離させ、水蒸気中に移行させる。
図２に示すＣＯ２回収装置においては、熱交換器１において発生した水蒸気が吸着塔（第１吸着塔３１または第２吸着塔３２）に供給されることにより、ＣＯ２が吸着剤から脱離し、水蒸気中に移行する。
ここで、吸着剤は水蒸気により昇温されるが、昇温後の吸着剤の表面温度は、通常、ＣＯ２が吸着剤から脱離し始める温度以上になっている。昇温後の吸着剤の表面温度は、吸着剤の種類によって異なるが、例えば、６０～２００℃であり、好ましくは６０～１００℃である。
吸着塔は、図２に示されるように、第１吸着塔３１および第２吸着塔３２を含むことが好ましい。ただし、これに限定されず、本開示において、吸着塔は１つであってもよく、２つ以上であってもよい。
この場合、第１吸着塔３１および第２吸着塔３２の各々において、吸着剤へのＣＯ２の吸着（吸着工程）と、吸着剤からのＣＯ２の脱離（脱離工程：吸着剤の再生）とが、交互に繰り返し行われる。そして、第１吸着塔３１で吸着工程が実施される間は第２吸着塔３２で脱離工程が実施され、反対に第１吸着塔３１で脱離工程が実施される間は第２吸着塔３２で吸着工程が実施される。これにより、全体として対象ガスからのＣＯ２の回収を連続的に実施することができる。
具体的には、図２を参照して、例えば、バルブ７１Ｂ，７２Ａ，７３Ａ，７４Ｂを閉じ、バルブ７１Ａ，７２Ｂ，７３Ｂ，７４Ａを開けることで、熱交換器１において降温した対象ガス（燃焼ガス等）がブロワ４により第１吸着塔３１に供給され、第１吸着塔３１内を通過して排気され、且つ、熱交換器１で発生した水蒸気が第２吸着塔３２に供給され、第２吸着塔３２を通過して分離器具（凝縮器６および気液分離器２２）に供給される。これにより、第１吸着塔３１において吸着工程が実施され、且つ、第２吸着塔３２において脱離工程が実施される。
次に、バルブ７１Ａ，７２Ｂ，７３Ｂ，７４Ａを閉じ、バルブ７１Ｂ，７２Ａ，７３Ａ，７４Ｂを開けることで、対象ガスが第２吸着塔３２内を通過して排気され、且つ、水蒸気が第１吸着塔３１を通過して分離器具（凝縮器６および気液分離器２２）に供給される。これにより、第２吸着塔３２において吸着工程が実施され、且つ、第１吸着塔３１において脱離工程が実施される。
このようなバルブの切り替えを行うことにより、第１吸着塔３１および第２吸着塔３２の各々において吸着工程と脱離工程とが繰り返され、全体として対象ガスからのＣＯ２の回収を連続的に実施することができる。
次に、バルブ７１Ａ，７２Ｂ，７３Ｂ，７４Ａを閉じ、バルブ７１Ｂ，７２Ａ，７３Ａ，７４Ｂを開けることで、対象ガスが第２吸着塔３２内を通過して排気され、且つ、水蒸気が第１吸着塔３１を通過して分離器具（凝縮器６および気液分離器２２）に供給される。これにより、第２吸着塔３２において吸着工程が実施され、且つ、第１吸着塔３１において脱離工程が実施される。
このようなバルブの切り替えを行うことにより、第１吸着塔３１および第２吸着塔３２の各々において吸着工程と脱離工程とが繰り返され、全体として対象ガスからのＣＯ２の回収を連続的に実施することができる。
なお、脱離工程において（例えば１００℃程度まで）昇温された吸着剤は、次の吸着工程において、例えば、吸着塔に導入される常温付近の温度を有する対象ガス中のＣＯ２を吸着しつつ、１００℃未満（例えば常温）まで冷却される。吸着工程と脱離工程とが繰り返される場合、このような吸着剤の昇温と冷却とが繰り返される。
このように、複数の吸着塔を用いて交互に吸着工程と脱離工程とを実施し、吸着剤（吸着塔）の温度変化により、対象ガスからのＣＯ２の回収を連続的に実施する方法は、温度スイング吸着法（ＴＳＡ）と呼ばれる。温度スイング吸着法では、別々の吸着塔において吸着工程と脱離工程とが同時に実施され、両工程が同じ時間実施されることが、ＣＯ２回収効率の観点から好ましい。ここで、脱離工程において、水蒸気により吸着剤を十分に昇温して吸着剤からＣＯ２を脱離させるためには、比較的長い時間が必要である。一方、吸着工程を同じ時間実施する場合、吸着剤へのＣＯ２吸着量が上限値に達すると、それ以上ＣＯ２が吸着されなくなる。したがって、水蒸気による温度スイング吸着法では、単位質量当りのＣＯ２吸着量が多い吸着剤を用いることが好ましい。
このような吸着剤へのＣＯ２吸着量の上限値（吸着容量）は、特に限定されないが、例えば、１サイクルあたりに吸着塔に供給されるＣＯ２の量に応じて設計される。なお、ボイラや発電所等の一般的なＣＯ２排出源（ＣＯ２濃度：約１０％）が吸着塔に供給される場合のように、単位時間あたりに吸着塔に供給されるＣＯ２の量が比較的少ない場合は、吸着剤のＣＯ２吸着容量が小さくても、１サイクルの間に他の吸着塔で十分な加熱を行いＣＯ２を脱離させることは可能である。
このような吸着剤へのＣＯ２吸着量の上限値（吸着容量）は、特に限定されないが、例えば、１サイクルあたりに吸着塔に供給されるＣＯ２の量に応じて設計される。なお、ボイラや発電所等の一般的なＣＯ２排出源（ＣＯ２濃度：約１０％）が吸着塔に供給される場合のように、単位時間あたりに吸着塔に供給されるＣＯ２の量が比較的少ない場合は、吸着剤のＣＯ２吸着容量が小さくても、１サイクルの間に他の吸着塔で十分な加熱を行いＣＯ２を脱離させることは可能である。
本実施形態の脱離工程において、脱離工程で得られるＣＯ２を含有する水蒸気のうち、脱離工程の開始時から所定時間までに得られる水蒸気（ＣＯ２含有量が少ない水蒸気）を廃棄し、所定時間後に得られる水蒸気（ＣＯ２含有量が多い水蒸気）を次の分離工程に供することが好ましい。この場合、次の分離工程において分離回収されるガス中に含まれるＣＯ２濃度が高くなる。
燃焼排ガス等の対象ガスは、ＣＯ２を含むが、その成分の多くは窒素、水蒸気等のＣＯ２以外の成分である。吸着工程後においては、吸着塔の内部（吸着剤の多孔の内部を含む）の空隙は、これらのＣＯ２以外の成分を多く含むガスで満たされている。このため、脱離工程において、水蒸気を吸着塔に供給（パージ）された直後は、吸着塔の空隙内のガスが水蒸気によって置換（パージ）され、吸着塔からＣＯ２以外の成分を多く含むガス（ＣＯ２濃度が低いガス）が排出される。
また、吸着塔の内部の空隙のガスが水蒸気パージによって排出された後も、吸着剤の温度が十分に上昇するまでは、吸着剤から脱離するＣＯ２の量が少ないため、吸着塔から排出されるガス（水蒸気）中のＣＯ２濃度は低い。
したがって、このような脱離工程の初期に吸着塔から排出されるＣＯ２濃度が低いガスは廃棄し、その後に吸着塔から排出されるＣＯ２濃度が高いガスのみを次の分離工程に供することで、ＣＯ２濃度が高いガスを得ることができる。
これにより、例えば、ＣＯ２ガスをＣＨ４、ＣＯ等に化学的に変換する場合や、ＣＯ２ガスから液化炭酸やドライアイスを製造する場合において、効率的に処理を行うことができる。
また、吸着塔の内部の空隙のガスが水蒸気パージによって排出された後も、吸着剤の温度が十分に上昇するまでは、吸着剤から脱離するＣＯ２の量が少ないため、吸着塔から排出されるガス（水蒸気）中のＣＯ２濃度は低い。
したがって、このような脱離工程の初期に吸着塔から排出されるＣＯ２濃度が低いガスは廃棄し、その後に吸着塔から排出されるＣＯ２濃度が高いガスのみを次の分離工程に供することで、ＣＯ２濃度が高いガスを得ることができる。
これにより、例えば、ＣＯ２ガスをＣＨ４、ＣＯ等に化学的に変換する場合や、ＣＯ２ガスから液化炭酸やドライアイスを製造する場合において、効率的に処理を行うことができる。
図２に示すＣＯ２回収装置においては、分離工程の初期に吸着塔から排出されるＣＯ２濃度の低いガスは、凝縮器６の上流側に設けられた三方バルブ７５の切り替えにより、分岐した配管を介して排気口から排出（廃棄）される。これにより、最終的に分離器具（凝縮器６および気液分離器２２）より回収されるＣＯ２（高濃度のＣＯ２を含むガス）に、ＣＯ２濃度の低いガスが混合することが防止される。
上記の所定時間は、特に限定されず、予め決定された時間であってもよく、予め決定されていない時間であってもよい。例えば、脱離工程で吸着塔から排出されるガス（水蒸気）中のＣＯ２濃度をモニタリングし、ＣＯ２濃度が所定の閾値未満の間は該水蒸気を廃棄し、ＣＯ２濃度が所定の閾値以上となった時点から該水蒸気を分離工程に供するようにしてもよい。また、予めこれと同様のモニタリングを試験的に実施して、そこで上記の所定時間を決定し、その所定時間に基づいて、脱離工程で吸着塔から排出される水蒸気の廃棄を終了し、水蒸気の分離工程への供給を開始するタイミングを調整してもよい。
なお、特許文献１（特開２０１７－５６３８３号公報）では、水蒸気でＣＯ２吸着剤を昇温する前に、真空ポンプで吸着剤を備える吸着塔内を減圧している。これにより、昇温により吸着剤からＣＯ２を脱離させる前に、吸着塔の空隙内に存在するＣＯ２以外の成分を多く含むガスを排出し、吸着塔から排出されるガス中のＣＯ２以外の夾雑成分の濃度が低減される。しかし、吸着塔内を減圧するために、真空ポンプ等の動力用のエネルギーが必要である。これに対して、本開示によれば、真空ポンプのように多くのエネルギーを必要とする器具を用いずに、高濃度のＣＯ２を含むガス（高純度のＣＯ２ガス）を回収することができる。
なお、図２は、吸着塔（第１吸着塔３１および第２吸着塔３２）の上下方向を示すものではなく、吸着工程の対象ガスの流れは、吸着塔の下側から上側への流れ（アップフロー）であってもよく、吸着塔の上側から下側への流れ（ダウンフロー）であってもよい。同様に、脱離工程の水蒸気の流れは、吸着塔の上側から下側への流れ（ダウンフロー）であってもよく、吸着塔の下側から上側への流れ（アップフロー）であってもよい。
また、吸着工程の対象ガスの流れの方向と、脱離工程の水蒸気の流れの方向とは、図２のように反対方向であってもよく、同じ方向であってもよい。
また、吸着工程の対象ガスの流れの方向と、脱離工程の水蒸気の流れの方向とは、図２のように反対方向であってもよく、同じ方向であってもよい。
＜分離工程：Ｓ４０＞
分離工程では、脱離工程において得られるＣＯ２を含む水蒸気からＣＯ２を分離する。
分離工程では、脱離工程において得られるＣＯ２を含む水蒸気からＣＯ２を分離する。
分離工程においては、脱離工程で得られるＣＯ２を含有する水蒸気を冷却し、凝縮水とＣＯ２とに気液分離することにより、ＣＯ２を分離することが好ましい。この場合、図２に示すＣＯ２回収装置においては、凝縮器６において水分が液化し、気液分離器２２の気相部よりＣＯ２が回収される。
なお、本実施形態のＣＯ２回収装置は、ブロワ４の下流側のバルブ７１Ａ，７１Ｂよりも上流側から分岐して排気口へ通じる流路と、該流路に設けられた流量調節弁５（または、オリフィスなどの絞り機構）と、を備えていてもよい。
熱交換器１での熱交換工程において水蒸気を発生させるために必要な対象ガスの量は、対象ガスの温度によって異なる。一方で、吸着塔（第１吸着塔３１および第２吸着塔３２）でＣＯ２の回収処理が可能な対象ガスの量は限られる。このため、例えば、対象ガスの温度が低下すると、熱交換器１に供給される対象ガスの量が吸着塔の処理能力を超える場合がある。このような場合に、流量調節弁５の開度を大きくすることで、熱交換器１に供給される対象ガスのうち、吸着塔の処理能力を超える分を排気口から排気することができる。
なお、対象ガスの性状に応じて、対象ガスの流路の吸着塔（第１吸着塔３１および第２吸着塔３２）より上流側（熱交換器１と気液分離器２１との間、気液分離器２１とブロワ４との間、および、ブロワ４と吸着塔との間、の少なくともいずれか）に、前処理装置を設け、対象ガス中に含まれる微量の夾雑成分を除去しても良い。また、気液分離器２２と熱交換器１との間の凝縮水の流路に、前処理装置を設け、凝縮水中に含まれる微量の夾雑成分を除去してもよい。
以上で説明した本開示のＣＯ２回収方法およびＣＯ２回収装置によれば、消費エネルギーを抑制しつつ、ＣＯ２を含む対象ガスからＣＯ２を回収することができるため、ＣＯ２排出量を削減することができる。そのため、地球温暖化ガスを削減することができ、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の活動に貢献することができる。
（実施例１）
図２に示されるＣＯ２回収装置を用いて、対象ガスからＣＯ２を回収する場合において、回収されるガス中のＣＯ２濃度等をシミュレーションにより算出した。
図２に示されるＣＯ２回収装置を用いて、対象ガスからＣＯ２を回収する場合において、回収されるガス中のＣＯ２濃度等をシミュレーションにより算出した。
対象ガスは、８５体積％のＮ２、５体積％のＯ２、１０体積％のＣＯ２、および、飽和量の水分を含むガスとした。吸着剤は、ヤシ殻活性炭（造粒品、６．５～１０メッシュ篩い）とした。吸着工程における吸着塔内の条件は、温度４０℃、圧力１０ｋＰａＧとした。脱離工程における吸着塔内の条件は、温度１２０℃、圧力１０ｋＰａＧとした。
シミュレーションの結果、分離工程（気液分離器２２における気液分離）によって回収されるガスは、９９体積％のＣＯ２、１体積％のＮ２、および、飽和量の水分を含むガスとなることが分かった。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 熱交換器、２１，２２ 気液分離器、３１ 第１吸着塔、３２ 第２吸着塔、４ ブロワ、５ 流量調節弁、６ 凝縮器、７１Ａ，７１Ｂ，７２Ａ，７２Ｂ，７３Ａ，７３Ｂ，７４Ａ，７４Ｂ バルブ、７５ 三方バルブ。
Claims (6)
- ＣＯ２を含有し１００℃以上の温度を有する対象ガスと水との熱交換により、前記対象ガスの温度を１００℃未満に低下させると共に、前記水から水蒸気を発生させる、熱交換工程と、
前記熱交換工程により、温度が低下した前記対象ガス中のＣＯ２を吸着剤に吸着させる、吸着工程と、
前記吸着工程によりＣＯ２が吸着した前記吸着剤に対して、前記熱交換工程で得られた前記水蒸気を接触させることにより、前記吸着剤からＣＯ２を脱離させ、前記水蒸気中に移行させる、脱離工程と、
前記脱離工程において得られるＣＯ２を含む水蒸気からＣＯ２を分離する、分離工程と、
を備える、ＣＯ２回収方法。 - 前記水は、前記対象ガス中に含まれる水蒸気の凝縮水、および、前記脱離工程で用いた前記水蒸気の凝縮水の少なくともいずれかを含む、請求項１に記載のＣＯ２回収方法。
- 前記分離工程において、
前記脱離工程において得られるＣＯ２を含有する水蒸気を冷却し、凝縮水とＣＯ２とに気液分離することにより、ＣＯ２を分離する、請求項１または２に記載のＣＯ２回収方法。 - 前記脱離工程において得られるＣＯ２を含有する水蒸気のうち、脱離工程の開始時から所定時間までに得られる水蒸気を廃棄し、前記所定時間後に得られる水蒸気を前記分離工程に供する、請求項１～３のいずれか１項に記載のＣＯ２回収方法。
- 請求項１～４のいずれか１項に記載のＣＯ２回収方法に用いられるＣＯ２回収装置であって、
前記熱交換工程を実施するための熱交換器と、
前記吸着工程および前記脱離工程を実施するための前記吸着剤を有する吸着塔と、
前記分離工程を実施するための分離器具と、
を備える、ＣＯ２回収装置。 - 前記吸着塔は、第１吸着塔および第２吸着塔を含む、請求項５に記載のＣＯ２回収装置。
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