JP5319476B2

JP5319476B2 - 分離回収システム

Info

Publication number: JP5319476B2
Application number: JP2009222716A
Authority: JP
Inventors: 一孝丸山
Original assignee: エネルギープロダクト株式会社
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-09-28
Also published as: JP2011067792A

Description

本発明は、分離回収システムに関する。

排ガスから二酸化炭素を回収する方法の一つに溶液吸収法がある。溶液吸収法は、ＣＯ₂を化学的に吸収できる熱炭酸カリウム水溶液やアミン水溶液を吸収塔と再生塔との間で
循環させ、吸収塔内部に充填されたラシヒリングやポールリング等の充填物の表面を介して、塔頂からの溶液と塔底部からのガスを常温で直接接触させ、溶液内にガス中のＣＯ₂
を選択的に化学吸収させる。そして、そのＣＯ₂吸収液を再生塔の塔頂から下部に向けて
落下させ、吸収塔と同様に、内部に充填された充填物の表面を介して、塔底より熱源を受けて上昇する１００〜１２０℃の水蒸気と直接接触させ、ＣＯ₂を分離し、塔頂から取り
出し、冷却して回収する。ＣＯ₂を分離した溶液は、再び吸収溶液として吸収塔へ再循環
される。このような溶液吸収法は、比較的高効率で、圧力を問わず適用できる事等を特長とするが、湿式であるため、製品ガス中に水分や溶液成分の一部など、不純物の混入が懸念される。また熱炭酸カリウムは強い腐食性を有するため、材質面で、ステンレス材を選定するか、或いは炭素鋼にＶ₂Ｏ₅等のコーティング材を施工して使用する必要がある。

溶液吸収法以外の方法として、化学吸着によるＴＳＡ（Thermal Swing Adsorption）法またはＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）法がある。これらの方法は、活性炭や多孔
質樹脂等の担体に、炭酸カリウムやアミン等の化学吸着成分を担持させた吸着剤を使用し、吸着剤の温度や圧力による化学的吸着能力の差を利用して、ＣＯ₂を吸脱着させ回収す
るもので、通常２〜４系統の吸着塔を吸着工程と脱着工程に交互に切り替えて、連続的に分離回収する仕組みになっている。圧力差に比べて、温度差に対する吸着能力が大きく変化するので、ＴＳＡ方式単独又はＰＳＡ方式との組み合わせ方式が一般的である。ＴＳＡ方式の場合は、低圧での操作が可能であるほか、ガス中に含まれる水分の影響が少ないので、前処理が不要で、再生ガスとして蒸気を直接導入することも可能である。従ってシステムが簡易なため、回収コストの面からは比較的有利であるが、回収ＣＯ₂ガスに水分や
アミン等吸着剤成分の混入が懸念される。

その他の方法として、物理吸着によるＴＳＡ法又はＰＳＡ法がある。これらの方法は、合成ゼオライト、活性アルミナ、セラミックス、多孔質ガラス、多孔質樹脂等の物理吸着剤（モレキュラシーブス）を使用し、吸着剤の温度や圧力に対する吸着能力の差を利用して、ＣＯ₂を吸脱着させ回収する方法で、通常２〜４系統の吸着塔を吸着工程と脱着工程
に交互に切り替えて、連続的に分離回収する仕組みになっている。圧力差に比べて、温度差に対する吸着能力が大きく変化するので、ＴＳＡ方式単独またはＰＳＡ方式との組み合わせが一般的である。製品ガス中への不純物混入の心配は少ないが、吸着剤のＣＯ₂に対
する吸着特性が水と競合するため、事前に脱水処理を行う必要がある（例えば、特許文献１を参照）。また、吸着塔における吸脱着熱を与えるための伝熱面積を確保し、操作温度を保持する必要がある。

特開平１０−２２５６１０号公報

排ガス中の二酸化炭素を溶液吸収法や化学吸着法で回収すると、回収物に不純物が混入
しやすい。このため、排ガス中の二酸化炭素を回収して製品とする場合、品質を保つ観点に鑑みれば、物理吸着法による回収が望まれる。ここで、既述したように、物理吸着法によれば、予め排ガスを脱水処理する必要がある。

ところで、排ガス中の二酸化炭素を物理吸着法で連続的に回収したい場合、水を吸着する吸着塔や二酸化炭素を吸着する吸着塔を複数用意し、交互に切り替えながら定期的に再生してやる必要がある。ここで、吸着塔の再生には、加熱用の熱源や乾燥ガス等が必要である。再生用の乾燥ガスとしては、既に二酸化炭素が回収されたガスを再生用の乾燥ガスとして用いることが考えられる。また、熱エネルギーを有効利用する観点に鑑みれば、再生用の熱源として水や二酸化炭素を吸着中の吸着塔で物理吸着時に生じる熱を余すことなく用いることが望まれる。ところが、二酸化炭素を物理吸着した吸着塔をＴＳＡ法により吸脱着させる際の吸着温度は再生温度よりも低く、また、吸着塔に吸着された二酸化炭素を再生時に回収して製品ガスにするというプロセスフローであるが故に、二酸化炭素を吸着している吸着塔の再生においては吸着塔内に繋がる経路と排ガスが流れる経路とが明確に切り離されている必要があり、吸着時の熱を有効利用することが困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、製品ガスに不純物を混入させること無く、排ガスから二酸化炭素を効率的に回収できる技術を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明では、水や二酸化炭素を吸着中の吸着塔と水を脱着中の吸着塔との間で熱交換を行いつつ、吸着工程にあるガス吸着塔の熱が再生工程にあるガス吸着塔の加温源となり、再生工程にあるガス吸着塔の熱が吸着工程にあるガス吸着塔の冷温源となるようにヒートポンプで熱輸送を行なうようにした。これによれば、水や二酸化炭素の吸着時に生ずる熱を余すことなく利用できるので、製品ガスに不純物を混入させることも無く、排ガスから二酸化炭素を効率的に回収できる。

詳細には、工場等から排出される排ガスに含まれる特定のガスを分離し、回収する分離回収システムであって、排ガス中の水分を吸着する、内部に伝熱管を付属する複数の水吸着塔を有する水吸着装置と、前記水吸着装置によって水分が除去された排ガスに含まれる前記特定のガスを物理吸着する、内部に伝熱管を付属する複数のガス吸着塔を有するガス吸着装置と、前記複数のガス吸着塔のうち吸着工程にあるガス吸着塔から出て前記複数の水吸着塔のうち再生工程にある水吸着塔へ送られる再生用の排ガスと、吸着工程にある水吸着塔から出て吸着工程にあるガス吸着塔へ送られる排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、吸着工程にある水吸着塔と再生工程にある水吸着塔との間で熱媒を循環させて熱交換を行うことにより吸着温度と再生温度を一定に保持する熱媒循環装置と、吸着工程にあるガス吸着塔の熱が再生工程にあるガス吸着塔の加温源となり、再生工程にあるガス吸着塔の熱が吸着工程にあるガス吸着塔の冷温源となるように、再生工程にあるガス吸着塔と吸着工程にあるガス吸着塔との間で熱輸送を行なうことにより吸着温度と再生温度を一定に保持するヒートポンプと、を備える。

上記分離回収システムが回収する特定のガスとは、排ガス中に含まれる特定の成分で構成されるガスであり、少なくとも上記ガス吸着塔で物理吸着可能な成分で構成されるガスである。上記分離回収システムにおいては、排ガスが水吸着塔を通過した後にガス吸着塔を通過するように構成されており、各塔では吸着中に熱が発生する。上記分離回収システムでは、水吸着塔やガス吸着塔が複数設けられており、例えば、複数の水吸着塔のうち少なくとも一の水吸着塔を吸着中とし、他の水吸着塔を再生中とすることで、水吸着装置としては排ガス中の水分を連続的に吸着するものとし、ガス吸着装置も同様とすることで、水吸着塔とガス吸着塔のそれぞれについて、吸着中の塔と再生中の塔とが並存するように運転される。そして、吸着中の塔の熱は再生中の塔の加温源として用いられ、再生中の塔
の熱は吸着中の塔の冷温源として用いられるように構成されている。

ここで、上記分離回収システムにおいては、吸着中の水吸着塔と再生中の水吸着塔との間の熱輸送を熱媒循環装置により実現する。ここで、熱媒とは、水吸着塔の熱を輸送可能な媒体であり、例えば、水等を例示できる。水吸着塔を再生する際は通過するガスが乾燥していることが肝要であり、吸着中の温度と再生中の温度との間に大差が無くても再生そのものは可能なので、熱媒循環装置は、このような熱媒を両塔間で循環させて熱輸送を実現する。

一方、吸着中のガス吸着塔と再生中のガス吸着塔との間の熱輸送はヒートポンプにより実現する。その理由として、物理吸着する吸着剤に吸着された特定のガスを脱着する際には、この吸着法の特性上、圧力差や温度差を利用する必要があり、熱エネルギーの有効利用という観点に鑑みれば、圧力差を利用するよりも温度差を利用する方が有効である。そこで、上記分離回収システムにおいては、再生中のガス吸着塔よりも低温となる吸着中のガス吸着塔の熱をヒートポンプで回収して再生中の塔の加温源とし、再生中の塔の熱を吸着中の塔の冷温源としている。各塔間の熱輸送をこのように実現することで、吸脱着中の水吸着塔およびガス吸着塔の熱が漏れなく利用されるので、物理吸着により製品ガスに不純物を混入させること無く、熱エネルギーを有効利用して排ガスから二酸化炭素を効率的に回収できるようになる。

製品ガスに不純物を混入させること無く、排ガスから二酸化炭素を効率的に回収できる技術を提供することが可能である。

二酸化炭素分離回収システムの構成図である。二酸化炭素分離回収システムにおけるガスの流れを示す図である。脱水設備の構成図である。ＣＯ₂分離回収設備の構成図である。精製設備の構成図である。

図１は、二酸化炭素分離回収システム１の構成図である。二酸化炭素分離回収システム１は、図１に示すように、昇圧脱水部門２とＣＯ₂分離回収部門３、及び昇圧精製部門４
を備える。昇圧脱水部門２は、工場等から排出される排ガスを昇圧したのちに脱水する。ＣＯ₂分離回収部門３は、昇圧脱水部門２で昇圧されて脱水された原料排ガスに含まれる
二酸化炭素を回収する。昇圧精製部門４は、ＣＯ₂分離回収部門３に回収されている二酸
化炭素を取り出して精製し、製品ＣＯ₂ガスとして送り出す。製品ＣＯ₂ガスの用途としては、溶接用や食品添加用が挙げられる。

工場等から排出される排ガスの成分は、例えば、窒素（Ｎ₂）が８１％、酸素（Ｏ₂）が１１％、二酸化炭素（ＣＯ₂）が８％、大気圧、温度６３℃、相対湿度１８％の排ガスで
ある。この二酸化炭素分離回収システム１は、この原料排ガスから、純度が９０％以上で露点温度が−１０℃以下の製品ＣＯ₂ガスを１０００Ｎｍ³／ｈで生産する。

図２は、二酸化炭素分離回収システム１におけるガスの流れを示す図である。二酸化炭素分離回収システム１では、図２に示すように、工場等の設備から排出されて排ガス冷却器５で約４０℃に冷却された原料排ガスが原料ガスブロワ２１により下流の各プロセスで必要とする圧力である約０．０３ＭＰａまで昇圧された後、脱水設備２０へ送られる。脱水設備２０で水分を除去された原料排ガスは脱湿ガス冷却器６を経てＣＯ₂分離回収設備
３０へ送られ、原料排ガス中の二酸化炭素を回収される。ＣＯ₂分離回収設備３０で二酸
化炭素を取り除かれた原料排ガス（以下、使用済み脱ＣＯ₂ガスという）は、脱湿ガス冷
却器６で熱交換により予熱され、脱水設備２０の再生ガスとして利用された後に系外へ排出され或いは再び工場等の設備へ戻る。この二酸化炭素分離回収システム１では、脱湿ガス冷却器６で概ね84,000kcal/h（351,120kJ/h）の熱が交換されるように設計されている
。一方、ＣＯ₂分離回収設備３０に回収されている二酸化炭素は、回収ガスブロワ７によ
って取り出されて精製設備４０へ送り込まれ、精製された後に製品ＣＯ₂ガスとして出荷
される。なお、脱湿ガス冷却器６は、熱交換器であり、ＣＯ₂分離回収設備３０から出る
使用済み脱ＣＯ₂ガスと脱水設備２０から出る脱水済の原料排ガスとの間で熱交換を行う
。この二酸化炭素分離回収システム１は、低圧、低温プロセスを基調としており、全てのプロセスにおいて０．０５ＭＰａ以下、０〜６５℃、より好ましくは１０〜４０℃である。

図３は、脱水設備２０の構成図である。脱水設備２０は、図３に示すように、水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂ、循環水回路２３、及び弁類で構成される。水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂは、それぞれ、合成ゼオライト、活性アルミナ、セラミックス、多孔質ガラス、多孔質樹脂等の物理吸着剤（モレキュラシーブス）を内包しており、伝熱管を内蔵した並列に接続される図示しない６４基の吸着塔で構成されており、塔内を通過する原料排ガスから水分を連続的に除去する。脱水設備２０は、Ａ系の水吸着塔ユニット２２ＡとＢ系の水吸着塔ユニット２２Ｂとが交互に吸着工程と再生工程とを約３０分毎に繰り返しながら、原料排ガス中の水分を連続的に吸着除去するように制御される。

再生工程は、ＣＯ₂分離回収設備３０からの使用済み脱ＣＯ₂ガスを再生用ガスとして利用し、主としてガス中の水分分圧に対する吸着能力の差を利用して吸脱着操作を行うドライガスパージ方式により再生する。脱水プロセスが物理吸着法によるため、２次的な脱水処理が不要であり、プロセスに起因する製品ＣＯ₂ガス中への不純物の混入の心配もない
。

図３では、水吸着塔ユニット２２Ａが吸着工程にあり、水吸着塔ユニット２２Ｂが再生工程にある場合の脱水設備２０を例示している。図３に示すように、吸着工程にある水吸着塔ユニット２２Ａでは、原料ガスブロワ２１から水吸着塔ユニット２２Ａへ繋がる配管の経路を開閉可能な弁Ｖ１Ａ、及び水吸着塔ユニット２２Ａから脱湿ガス冷却器６を介してＣＯ₂分離回収設備３０へ繋がる配管の経路を開閉可能な弁Ｖ２Ａが開いていることに
より、原料ガスブロワ２１から送られる原料排ガスが通気される。一方、再生工程にある水吸着塔ユニット２２Ｂでは、弁１Ｂ及び弁２Ｂが閉じており、ＣＯ₂分離回収設備３０
から脱湿ガス冷却器６を介して水吸着塔ユニット２２Ｂへ繋がる配管の経路を開閉可能な弁３Ｂ、及び水吸着塔ユニット２２Ｂから系外または工場等の設備へ繋がる配管の経路を開閉可能な弁４Ｂが開いていることにより、ＣＯ₂分離回収部門３から排出される使用済
み脱ＣＯ₂ガスが通気される。

ここで、水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂの再生に使用する使用済み脱ＣＯ₂ガスは、脱水
設備２０で脱水処理された後、ＣＯ₂分離回収設備３０で二酸化炭素を分離回収されたガ
スであり、ガス中の水分は、ほぼドライ状態にある。水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂの吸着剤の吸着能力は、その時の温度とガス中の分圧によって決まるので、脱水プロセスにおける脱着再生工程中の吸着塔（図３の例であれば水吸着塔ユニット２２Ｂ）を通過する際、水分を吸着した状態の吸着剤は、その温度に対する吸着特性に従って水分を分離放出し、それに伴いガス中の水分分圧を上昇させ、やがて平衡状態に達する。吸着中の水吸着塔の操作温度と再生中の水吸着塔の操作温度とは、概ね同一温度領域にあるので、脱水プロセスにおける吸脱着操作は、主としてガス中の水分分圧の差によって行われる。

ここで、水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂを構成する各塔の吸着剤は、水分を吸着する際に発熱を伴い、一方、水分を脱着して再生される際には吸熱を伴う。この二酸化炭素分離回収システム１では、各水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂで水を吸脱着する際の吸発熱量が概ね366,085kcal/h（1,532,724kJ/h）となるように設計されている。このため、吸脱着特性を維持するためには、吸着塔を冷却又は加熱して、一定の温度に保持する必要がある。そのため、脱水設備２０には、吸着工程にある水吸着装置と再生工程にある水吸着装置との間を循環する循環水回路２３が備えられており、吸着剤が水を吸着する際に生ずる吸着熱と吸着剤が水を脱着して再生される際に要する再生熱とが全量交換されて、各系の水吸着装置の吸着塔の温度が約４０℃前後に保持されるように設計されている。吸着中の水吸着塔ユニット２２Ａと再生中の水吸着塔ユニット２２Ｂとの間に配される循環水回路２３は、吸着工程にある水吸着塔ユニット２２Ａの発熱と再生工程にある水吸着塔ユニット２２Ｂの吸熱とを、水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂに内置される伝熱管内を流れる循環水で間接的に熱交換させる。なお、循環水は、循環ポンプ２４によって循環水ライン内を強制的に循環される。これにより、水吸着塔ユニット２２Ａと水吸着塔ユニット２２Ｂとが互いに同一温度領域に保持される。設計上、吸着中の吸着塔と再生中の吸着塔の温度は概ね同一温度であればよく、循環ポンプ２４による入熱により再生中の水吸着塔の温度が少しでも高くなるように考慮する他は、特段の制御を行っていない。すなわち、循環水回路２３は、吸着中の水吸着塔と再生中の水吸着塔とが切り替わっても、循環ポンプ２４を出た循環水が再生中の水吸着塔を通過したのちに循環水クーラ２５を通過し、吸着中の水吸着塔を通過して再び循環ポンプ２４に戻る経路が形成されるように、三方弁５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂが設けられている。各弁の開閉状態を下記の表１に示す。

表１に示されるパターンに沿って各弁が制御されることにより、水吸着塔ユニット２２
Ａが吸着中で水吸着塔ユニット２２Ｂが再生中の時は、循環ポンプ２４を出た循環水が水吸着塔ユニット２２Ｂを通過したのちに循環水クーラ２５を通過し、水吸着塔ユニット２２Ａを通過して再び循環ポンプ２４に戻る経路が形成される。また、水吸着塔ユニット２２Ｂが吸着中で水吸着塔ユニット２２Ａが再生中の時は、循環ポンプ２４を出た循環水が水吸着塔ユニット２２Ａを通過したのちに循環水クーラ２５を通過し、水吸着塔ユニット２２Ｂを通過して再び循環ポンプ２４に戻る経路が形成される。なお、これらの経路の切り替えは、ヒートロスを軽減するため、循環する水温に応じて切り替え時間を適宜調整する。これらの制御は、脱水設備２０に設けられた図示しない制御盤のシーケンサによって執り行われる。

ところで、原料ガス中の水分量によっては、再生用ドライガスの量が不足する場合もあり得る。その場合は、他のドライガスを補うか、循環水ラインに加熱器や冷却器を配して、再生中の水吸着塔の温度を高くしてやることで補うこともできる。

脱水設備２０が上記のように動作することにより、吸着中および再生中の各吸着塔の温度領域は、外気温や冷却水温度等の影響を受けつつも、概ね０〜４５℃の範囲となる。このように、再生用ドライガスとしてＣＯ₂分離回収設備３０で二酸化炭素が分離回収され
た使用済み脱ＣＯ₂ガスを導入し、更に循環ラインの設置により吸着中の水吸着塔と再生
中の水吸着塔との間で熱交換しているので、水蒸気等の外部からの熱源を要しない。

図４は、ＣＯ₂分離回収設備３０の構成図である。ＣＯ₂分離回収設備３０は、図４に示すように、ＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂ、ヒートポンプシステム３２、及び弁類で構
成される。ＣＯ₂分離回収設備３０は、二酸化炭素の吸脱着に必要な接触時間を十分に確
保することが求められる。また、目的の吸着量を確保するための吸着剤充填量を確保することが求められる。更に、吸脱着熱を冷却又は加熱して温度を保持するための伝熱面積を確保することが求められる。

そこで、ＣＯ₂分離回収設備３０は、吸着塔を複数に分割したり、適宜並列又は直列に
接続したりして使用する。本実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１のＣＯ₂吸着
塔ユニット３１Ａ，Ｂは、水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂと同様、合成ゼオライト、活性アルミナ、セラミックス、多孔質ガラス、多孔質樹脂等の物理吸着剤（モレキュラシーブス）を内包しており、伝熱管を内蔵した並列に接続される６４基の吸着塔で構成され、塔内を通過する脱水された原料排ガスから二酸化炭素を連続的に除去する。ＣＯ₂分離回収設
備３０は、Ａ系のＣＯ₂吸着塔ユニット３１ＡとＢ系のＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ｂとが交互に吸着工程と脱着工程（再生工程ということもできる）とを約３０分毎に繰り返しながら、原料排ガス中の二酸化炭素を連続的に分離回収するように設計されている。

ＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂは、主として吸着剤の温度に対する吸着能力の差を利
用して吸脱着操作を行うＴＳＡ（Thermal Swing Adsorption）方式により、二酸化炭素の吸着及び脱着を行なう。ＣＯ₂分離回収プロセスは物理吸着方式であるため、プロセスに
起因する製品ＣＯ₂ガス中への不純物の混入の心配もない。

図４では、ＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａが吸着工程にあり、ＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ｂが脱着工程にある場合のＣＯ₂分離回収設備３０を例示している。図４に示すように、吸
着工程にあるＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａでは、昇圧脱水部門２から脱湿ガス冷却器６を
介してＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａへ繋がる配管の経路を開閉可能な弁１１Ａ、及びＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａから脱湿ガス冷却器６を介して水吸着塔ユニット２２Ｂへ繋がる配管の経路を開閉可能な弁７Ａが開いていることにより、昇圧脱水部門２から送られる脱水された原料排ガスが通気される。一方、脱着工程にあるＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ｂでは
、弁１１Ｂ及び弁７Ｂが閉じており、昇圧精製部門４へ繋がる配管の経路を開閉可能な弁
８Ｂが開いていることにより、ＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ｂに吸着されていた二酸化炭素
が脱着されて昇圧精製部門４へ流れる。

ここで、ＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂに使われている吸着剤は、二酸化炭素を吸着
する際に発熱を伴い、一方、二酸化炭素を脱着して再生される際には吸熱を伴う。この二酸化炭素分離回収システム１では、各ＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂで二酸化炭素を吸
脱着する際の吸発熱量が概ね354,644kcal/h（1,486,591kJ/h）となるように設計されている。このため、吸脱着特性を維持するためには、吸着塔を冷却又は加熱して、一定の温度に保持する必要がある。特に、ＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂは、ＴＳＡ（Thermal Swing Adsorption）方式を採用しているため、吸着工程における温度は０〜４０℃、脱着工
程における温度は２０〜６５℃となり、概ね吸着工程で約１５℃、再生工程で約４０℃となるように制御される。吸着剤が約４０℃に加熱されることで、吸着されていた二酸化炭素が分離する。この動作温度から明らかなように、ＣＯ₂分離回収プロセスでは脱水プロ
セスと異なり、発熱を伴う吸着工程におけるＣＯ₂吸着塔の温度と吸熱を伴う脱着工程に
おけるＣＯ₂吸着塔の温度とが大きく開いている。そこで、ＣＯ₂分離回収設備３０は、二酸化炭素を吸脱着する際の熱源を自給するためにヒートポンプシステム３２を備えており、冷凍機３６、凝縮器３４、膨張弁３７、蒸発器３５などで構成されるヒートポンプユニット３３を配することで、吸着中のＣＯ₂吸着塔の熱を脱着中のＣＯ₂吸着塔へ効率的に送ることが可能なようになっている。このヒートポンプユニット３３の冷媒はフロン系のＲ−１３４ａである。これにより、発熱を伴う吸着中のＣＯ₂吸着塔が冷却され、吸熱を伴
う脱着中のＣＯ₂吸着塔が加熱されて、各々の動作温度が保たれる。

より詳細には、例えば図４に示すように、吸着中のＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａとヒー
トポンプユニット３３の蒸発器３５との間で循環ポンプ３８により冷水が循環する循環経路を、弁９Ａ，１０Ａや配管類により構成する。また、脱着中のＣＯ₂吸着塔ユニット３
１Ｂとヒートポンプユニット３３の凝縮器３４との間で循環ポンプ３９により温水が循環する循環経路を弁９Ｂ，１０Ｂにより構成する。吸着中のＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａで
生じた熱により蒸発した蒸発器３５内の冷媒は、冷凍機３６によって昇圧され、凝縮器３４へ送られる。凝縮器３４では、冷凍機３６から送られた冷媒の熱が脱着中のＣＯ₂吸着
塔ユニット３１Ｂによって奪われ、凝縮器３４内で冷媒が凝縮する。凝縮器３４で凝縮した冷媒は膨張弁３７を通って減圧され、過冷却状態になって再び蒸発器３５へ送られる。ヒートポンプユニット３３においてこのような冷凍サイクルが実現されることにより、吸着中のＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａと脱着中のＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ｂとの間の熱輸送が実現され、ＣＯ₂吸着塔間の熱交換による熱源の自給が可能となる。

なお、吸着中のＣＯ₂吸着塔ユニットと脱着中のＣＯ₂吸着ユニットとの間の熱交換は、循環水を介することなく、例えば、ヒートポンプユニット３３内を循環する冷媒を各吸着塔に直接導入するようにしてもよい。この場合、ヒートポンプユニット３３に設けられている凝縮器３４や蒸発器３５が不要となる。また、ヒートポンプユニット３３のような圧縮式の冷凍サイクルではなく、吸収式のものであってもよい。更に、吸着中の吸着塔と再生中の吸着塔との切り替えや冷凍機３６の発停等による循環水の温度の変動を抑制するため、循環ポンプ３８,３９や弁類で構成される冷水や温水の循環経路に中間タンクを設け
、この中間タンクに循環水の温度の変動を吸収させるようにしてもよい。

ＣＯ₂分離回収設備３０は、脱水設備２０と同様、冷水や温水の循環ラインがＣＯ₂吸着塔の通気状態に応じて切り替えられる。各弁の開閉状態を下記の表２に示す。

表２に示されるパターンに沿って各弁が制御されることにより、ＣＯ₂吸着塔ユニット
３１Ａが吸着中でＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ｂが脱着中の時は、ＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａと蒸発器３５との間で冷水が循環し、ＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ｂと凝縮器３４との間
で温水が循環して、ＣＯ₂吸着塔ユニット３１ＡからＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ｂへの熱輸送が実現される。また、ＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ｂが吸着中でＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａが吸着中の時は、ＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ｂと蒸発器３５との間で冷水が循環し、Ｃ
Ｏ₂吸着塔ユニット３１Ａと凝縮器３４との間で温水が循環して、ＣＯ₂吸着塔ユニット３１ＢからＣＯ₂吸着塔ユニット３１Ａへの熱輸送が実現される。なお、これらの経路の切
り替えは、ヒートロスを軽減するため、循環する水温に応じて切り替え時間を適宜調整する。これらの制御は、ＣＯ₂分離回収設備３０に設けられた図示しない制御盤のシーケン
サによって執り行われる。

図５は、精製設備４０の構成図である。精製設備４０は、図５に示すように、精製塔４１、製品ガス冷却器４２、及び弁や配管類で構成される。精製塔４１は、脱着工程にあるＣＯ₂吸着塔ユニットから出るガス中に含まれる硫化水素を、塔内に充填された触媒又は
吸着剤により吸着除去する。精製塔４１で硫化水素が除去されたガスは製品ガス冷却器４２で冷却されたのち、純度が９０％以上で露点温度が−１０℃以下の製品ＣＯ₂ガスとし
て送り出される。

なお、上記二酸化炭素分離回収システム１は、６４基の吸着塔を２系列備えた脱水設備やＣＯ₂分離回収設備等、フルスケールのプラントとして構成されているが、吸着塔が数
基程度しかないベンチスケールのプラントとすることも当然に可能である。また、上記二酸化炭素分離回収システム１は、精製設備４０の下流側に液化炭酸ガスを製造する設備等を設ければ、更に高純度の製品を提供することも可能である。

溶接や食品添加を用途とする製品ＣＯ₂ガスを出荷する場合、製品ＣＯ₂ガス中に許容さ
れる不純物量は、不純物質の毒性等種類にもよるが、少なくとも概ね０．５ｐｐｍ以下であるため、溶液吸収法や化学吸着法におけるカリやアミン等の吸収剤又は吸着剤成分の混入を許容値に制御することは、経済的要素を勘案すると困難である。一方、上記二酸化炭素分離回収システム１であれば、化学的分離法を使用せず、物理的な分離法を使用しているため、製品ＣＯ₂ガス中の不純物を抑制し、食品添加用その他に対しても広く適用可能
な品質を確保できる。

また、製品ＣＯ₂ガス中の水分も不純物として０．００３ｖｏｌ％程度以下の濃度が求
められる。また、このような水分の存在は、炭酸腐食により、他の不純物混入の大きな要因となり得る。ここで、溶液吸収法は湿式であるため、ガス中には飽和水分が含まれる。このため、結露により、容器や配管内に炭酸腐食を発生し、これに起因する不純物混入が懸念される。化学吸着法においても再生用に直接蒸気を導入する場合など、同様の問題が懸念される。しかし、上記二酸化炭素分離回収システム１では、脱水設備２０で排ガス中の水分を事前に物理吸着させ、過冷却領域まで除去することにより、後段のＣＯ₂分離回
収設備におけるＣＯ₂吸着特性の安定を図ることと合わせて、水分混入に起因する腐食発
生や不純物混入を予防している。

また、排ガスから二酸化炭素を回収する際のコストを上昇させる主たる要因は、建設コストと電力や蒸気などのユーティリティー消費量である。上記二酸化炭素分離回収システム１では、低温プロセスや前処理としての脱水処理を吸着法で実現しているため、ステンレス材や高級炭素鋼材の一切を要しない。また、低圧プロセスを採用しているので、回転機等の電力量を抑制できる。さらに、再生用に蒸気等を使用せず、吸着工程と脱着工程における等量の吸着熱と脱着熱を間接的に熱交換させることにより自己生産できるので、ヒートロスに関するものを除き、外部からの入熱を要しない。これらにより、建設コストを抑え、ユーティリティー使用量を抑制することにより、製品ガス量当たりの生産コストを大幅に低減できる。

排ガス中のＣＯ₂を効率的に回収し、食品添加用などの需要と組み合わせることができ
れば、ＣＯ₂排出量を削減し地球環境問題に直接的に資することが可能である。また、例
えば将来的にＨ₂源とのカップリング技術の進展によっては燃料化も期待され、ＣＯ₂削減と再生可能エネルギーの生産が同時に可能となり、貴重なカーボン源として上記二酸化炭素分離回収システム１の付加価値は飛躍的に高まることが期待される。

１・・二酸化炭素分離回収システム
２・・昇圧脱水部門
３・・ＣＯ₂分離回収部門
４・・昇圧精製部門
５・・排ガス冷却器
６・・脱湿ガス冷却器
７・・回収ガスブロワ

Claims

工場等から排出される排ガスに含まれる特定のガスを分離し、回収する分離回収システムであって、
排ガス中の水分を吸着する、内部に伝熱管を付属する複数の水吸着塔を有する水吸着装置と、
前記水吸着装置によって水分が除去された排ガスに含まれる前記特定のガスを物理吸着する、内部に伝熱管を付属する複数のガス吸着塔を有するＴＳＡ方式のガス吸着装置と、
前記複数のガス吸着塔のうち吸着工程にあるガス吸着塔から出て前記複数の水吸着塔のうち再生工程にある水吸着塔へ送られる再生用の排ガスと、吸着工程にある水吸着塔から出て吸着工程にあるガス吸着塔へ送られる排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、
吸着工程にある水吸着塔と再生工程にある水吸着塔との間で熱媒を循環させて熱交換を行うことにより、吸着工程にある水吸着塔と再生工程にある水吸着塔とを同一温度領域に保持する熱媒循環装置と、
吸着工程にあるガス吸着塔の熱が再生工程にあるガス吸着塔の加温源となり、再生工程にあるガス吸着塔の熱が吸着工程にあるガス吸着塔の冷温源となるように、再生工程にあるガス吸着塔と吸着工程にあるガス吸着塔との間で熱輸送を行なうことにより、吸着工程にあるガス吸着塔を、再生工程にあるガス吸着塔および吸着工程にある水吸着塔よりも低温にするヒートポンプと、を備える、
分離回収システム。
前記水吸着装置は、前記複数の水吸着塔のうち少なくとも一の水吸着塔を吸着工程とし、他の水吸着塔を再生工程とすることで、前記工場等の設備から排出される排ガス中の水分を連続的に吸着し、
前記ガス吸着装置は、前記複数のガス吸着塔のうち少なくとも一のガス吸着塔を吸着工程とし、他のガス吸着塔を再生工程とすることで、前記水吸着装置から出る排ガスに含まれる前記特定のガスを連続的に物理吸着する、
請求項１に記載の分離回収システム。