JP5785443B2 - 二酸化炭素分離回収装置 - Google Patents

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Description

本発明は、二酸化炭素を含有する被処理ガスから二酸化炭素を分離し、被処理ガスから分離された二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置に関する。
近年、二酸化炭素の排出量を削減するための技術として、CCS(Carbon dioxide Capture and Storage)が注目されている。CCSは、二酸化炭素を含有する被処理ガスから二酸化炭素を選択的に分離して回収する技術、回収された二酸化炭素を地中又は水中に貯留する技術である。CCSは、火力発電所や油田等の大規模二酸化炭素排出源への導入が期待されており、また、密閉された居住空間の二酸化炭素濃度の調整にも応用可能である(例えば、特許文献1及び2参照)。
特許文献2は、二酸化炭素の分離及び回収にいわゆる固体吸着剤法を適用した二酸化炭素分離回収装置を開示している。この二酸化炭素分離回収装置は、固体状の二酸化炭素吸着材を充填した吸着材充填槽を備えている。吸着材充填槽は、被処理ガスを取り入れるための配管及び加熱ガスを取り入れるための配管と接続されている。加熱ガス供給用の配管は、上流端部にて水蒸気発生器と接続されており、水蒸気発生器により発生された水蒸気が加熱ガスに利用される。
この二酸化炭素分離回収装置によれば、被処理ガスが吸着材充填槽に供給されると、二酸化炭素が二酸化炭素吸着材に吸着されて被処理ガスから分離され、これにより二酸化炭素の濃度が低下した清浄ガスを作ることができる。被処理ガスに替えて水蒸気が吸着材充填槽に供給されると、二酸化炭素吸着材が加熱される。これにより、二酸化炭素が二酸化炭素吸着材から離脱し、二酸化炭素を回収することができると共に二酸化炭素吸着材を再生することができる。
特開2007−61777号公報 国際公開第2011/013332号パンフレット
前述の二酸化炭素分離回収装置によれば、水蒸気が、吸着材充填槽の外部にある水蒸気発生器から、加熱ガス供給用の配管を介し、吸着材充填槽の内部へ送られる。一般に、配管は外気に晒される一方、水蒸気は外気よりも高温を有している。このため、水蒸気が、配管との熱交換により冷却されるおそれがあり、状況によっては配管内で凝縮することも考えられる。このような場合には、水蒸気発生器の出口での蒸気の温度を高くする必要が生じるし、二酸化炭素の離脱回収(二酸化炭素吸着材の再生)のために必要な蒸気量が多くなる。
また、吸着材充填槽の内部において、加熱ガス供給用の配管の出口に近い箇所では、水蒸気の流れが比較的活発となる一方、当該出口から遠い箇所では水蒸気の流れが比較的緩慢となる。すると、二酸化炭素吸着材には、二酸化炭素が速やかに離脱し終える箇所と、二酸化炭素がなかなか離脱し終えない箇所とが存在することとなる。二酸化炭素吸着材の全体を再生するには、二酸化炭素が離脱しにくい箇所においても二酸化炭素が離脱し終えるまで、水蒸気を吸着材充填槽に供給し続けなくてはならない。このように、水蒸気の偏流が生じて再生ムラが生じた場合には、二酸化炭素吸着材の全体を再生するために必要な蒸気量が多くなる。
そこで本発明は、二酸化炭素の離脱回収(二酸化炭素吸着材の再生)に必要な蒸気量及び当該蒸気の熱損失を低減し、それにより二酸化炭素分離回収装置の効率を改善することを目的としている。
本発明に係る二酸化炭素分離回収装置は、二酸化炭素を含有する被処理ガスから二酸化炭素を分離して、被処理ガスから分離された二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置であって、被処理ガスが流通する内部空間を有したケーシングと、前記内部空間に配置され、前記内部空間を流通する被処理ガスから二酸化炭素を吸着して分離する二酸化炭素吸着材と、前記二酸化炭素吸着材に吸着された二酸化炭素を離脱させて回収するための蒸気を前記内部空間で発生して前記内部空間に放出する蒸気発生手段と、を備える。
前記構成によれば、二酸化炭素の離脱回収(二酸化炭素吸着材の再生)のための蒸気が、ケーシングの内部空間で発生されて内部空間に放出される。このため、蒸気供給用の配管を省略することができる。これにより、配管を介した蒸気の供給に起因する蒸気の熱損失及び偏流を防ぐことができる。このため、蒸気の熱損失を低減することができ、また、二酸化炭素の離脱回収(二酸化炭素吸着剤の再生)に必要な蒸気量を低減することができる。したがって、二酸化炭素分離回収装置の効率を改善することができる。
前記蒸気発生手段が、前記ケーシングの内部に設置されて水を貯留する貯留部を有し、貯留部に貯留された水を蒸発させることによって蒸気を発生するよう構成されていてもよい。前記構成によれば、ケーシングの内部空間に蒸気の元となる水を貯留するための貯留部を簡便に設置することができる。また、貯留部内の水から発生された蒸気を二酸化炭素吸着材に自然対流を利用して供給することができ、二酸化炭素分離回収装置の効率を好適に改善することができる。
前記蒸気発生手段が、前記貯留部に貯留されている水を加熱する加熱部と、前記貯留部に貯留されている水を攪拌する攪拌部と、を有していてもよい。前記構成によれば、貯留部内の水の温度を簡便に管理することができ、蒸気を適切に発生することができる。
前記蒸気発生手段が、前記内部空間を減圧する減圧手段を有していてもよい。前記構成によれば、低温の蒸気を発生可能になるので、二酸化炭素吸着材の熱劣化を良好に抑制することができる。
前記内部空間からの二酸化炭素及び蒸気が流通する二酸化炭素回収ライン、を更に備え、前記減圧手段が、前記二酸化炭素回収ライン上に設けられた真空ポンプであり、前記真空ポンプが動作すると、前記貯留部に貯留された水が蒸発し、且つ、該貯留された水から発生した蒸気が前記二酸化炭素吸着材から離脱した二酸化炭素と共に前記二酸化炭素回収ラインに引き込まれてもよい。前記構成によれば、真空ポンプを動作させるか否かを切り替えることにより、蒸気を発生させ、二酸化炭素の離脱回収(二酸化炭素吸着材の再生)の処理を実行するか否か、つまり二酸化炭素をケーシングから排出するか否かを一括して切り替えることができる。このため、二酸化炭素分離回収装置の構成を全体として簡素化することができる。
前記ケーシングが、前記二酸化炭素回収ラインと接続される二酸化炭素排出口を有し、前記二酸化炭素吸着材が前記貯留部及び前記二酸化炭素排出口の間に配置されていてもよい。前記構成によれば、貯留部内の水から発生された蒸気が、二酸化炭素吸着材に供給された後に二酸化炭素回収ラインに引き込まれる。このため、二酸化炭素分離回収装置の効率を好適に向上させることができる。
前記貯留部が、前記内底部の中心部に設置されていてもよい。前記構成によれば、ケーシングの内部空間における蒸気の偏流を良好に抑制することができる。このため、二酸化炭素分離回収装置の効率を好適に向上させることができる。
前記ケーシングが、前記内部空間を規定する内殻部と、前記内殻部の外側を覆う外殻部と、前記内殻部及び前記外殻部により囲まれた流体通路と、前記ケーシングの外気よりも高温を有した高熱流体を前記流体通路に流入させるための流体流入口と、前記流体通路から前記高熱流体を流出させるための流体流出口と、を有していてもよい。前記構成によれば、蒸気の熱がケーシングに奪われるのを抑制することができる。このため、二酸化炭素分離回収装置の効率を好適に向上させることができる。
前記高熱流体が被処理ガスであってもよい。前記構成によれば、熱源を別途設ける必要がないので、二酸化炭素分離回収装置の構成が全体として大型化するのを良好に抑制することができる。
第1ケーシング及び第2ケーシングを含む少なくとも2つの前記ケーシングを備え、前記第1ケーシングにおいて前記蒸気発生手段を動作させて二酸化炭素が離脱回収されるときに、被処理ガスが、前記第1ケーシングの前記流体通路を通過した後に前記第2ケーシングの前記内部空間に供給され、前記第2ケーシングにおいて被処理ガスから二酸化炭素が吸着分離されてもよい。
本発明によれば、二酸化炭素の離脱回収(二酸化炭素吸着材の再生)に必要な蒸気量及び当該蒸気の熱損失を低減することができ、それにより二酸化炭素分離回収装置の効率を改善することができる。
本発明の実施形態に係る二酸化炭素分離回収装置の全体構成を示す概念図である。 図1に示す第1処理塔の構成を示す概念図である。 図2に示す制御器により実行される二酸化炭素分離回収処理の手順を示すフローチャートである。 図3に示す回収再生処理の手順を示すフローチャートである。 第1処理塔で吸着処理が行われ、第2処理塔でリペア処理の浸漬工程が行われているときのガス等の流れを示す作用図である。 第1処理塔で吸着処理が行われ、第2処理塔でリペア処理の吸着液回収工程が行われているときのガス等の流れを示す作用図である。 第1処理塔で吸着処理が行われ、第2処理塔でリペア処理の乾燥工程が行われているときのガス等の流れを示す作用図である。 第1処理塔で回収再生処理の給水工程が行われ、第2処理塔で吸着処理が行われているときのガス等の流れを示す作用図である。 第1処理塔で回収再生処理の二酸化炭素回収工程が行われ、第2処理塔で吸着処理が行われているときのガス等の流れを示す作用図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、同一又は相当する要素には全図を通じて同一の符号を付し、重複する詳細な説明を省略する。
(被処理ガス,二酸化炭素吸着材)
図1は、本発明の実施形態に係る二酸化炭素分離回収装置の全体構成を示す概念図である。なお、図1において、ライン端部に記載されている丸囲み文字は、同一文字同士が互いに接続されていることを意味する。二酸化炭素分離回収装置は、二酸化炭素を含有する被処理ガスから二酸化炭素を選択的に分離及び回収するための装置である。被処理ガスは、例えば、火力発電所のボイラ等から排出される燃焼排ガス、密閉された居住空間の室内空気、空気調和されたオフィス等の室内空気である。二酸化炭素分離回収装置は、二酸化炭素を分離及び回収するため、二酸化炭素を吸着可能な吸着剤を多孔性物質に担持させて成る固体状の二酸化炭素吸着材を利用する。
吸着剤には、弱アルカリ性を有するアミン化合物を適用することが好ましい。アミン化合物には、例えば、ポリエチレンイミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、テトラエチレンペンタミン、メチルジエタノールアミン、イソプロパノールアミン、ジイソプロパノールアミン、ジブチルアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ヘキサエチレンジアミン、ベンジルアミン又はモルホリンを適用することができる。比較的低温下で二酸化炭素を離脱させることができ、蒸散しても容易に回収することができるという理由から、モノエタノールアミン及びジエタノールアミンが好適であり、これらの混合物も好適である。
多孔性物質には、例えば活性炭、活性アルミナを適用することができる。これらは、表面に多くの細孔を有するので多量の吸着剤を担持することができ、それにより二酸化炭素吸着材の吸着性能を高めることができる。特に、活性炭は、嵩密度が小さいので、二酸化炭素吸着材の軽量化に資する。吸着剤にアミン化合物を適用した場合、活性炭は、アミン化合物が有する僅かなアンモニア臭を脱臭し得る面で好適である。多孔性物質に活性炭を適用する場合、活性炭は、平均細孔径20〜100Å、細孔容積1.0〜2.0cc/g、比表面積1000〜2000m/gの性状を有していることが好ましい。
吸着剤を多孔性物質に担持させて二酸化炭素吸着材を製造するときには、吸着剤の溶液又は液相の吸着剤である吸着液を調製し、吸着液を多孔性物質に散布及び/又は吸着液で多孔性物質を浸漬し、吸着液を回収して多孔性物質を乾燥させる。ジエタノールアミンを活性炭に担持させる場合、吸着液には、濃度が10〜55%の範囲内に調整されたジエタノールアミン水溶液を適用することができ、このとき、ジエタノールアミンの活性炭に対する重量比が20〜200%となる二酸化炭素吸着材を製造することができる。
以下、二酸化炭素分離回収装置の処理塔1A,1B、処理塔1A,1Bに接続された系統、処理塔1A,1Bで行われる処理について順次説明する。特別断らない限り、被処理ガスが燃焼排ガス、吸着剤がジエタノールアミン、吸着液がその水溶液、多孔性物質が活性炭であるものとして説明するが、これらは前述のものに適宜変更可能である。
(処理塔)
図1に示すように、二酸化炭素分離回収装置は、第1処理塔1A及び第2処理塔1Bを備えている。第2処理塔1Bは第1処理塔1Aと同等である。このため、図2を参照して第1処理塔1Aについて説明し、第2処理塔1Bについての説明を省略する。なお、本実施形態では、便宜的に二酸化炭素分離回収装置が2つの処理塔を備えているが、1又は3以上の処理塔を備えていてもよい。
図2は、図1に示す第1処理塔1Aの構成を示す概念図である。第1処理塔1Aは、ケーシング2及び二酸化炭素吸着材3を備えている。ケーシング2は、全体として円筒状に形成されている。二酸化炭素吸着材3は、前述のとおりに製造され、該ケーシング2の内部空間に配置される。第1処理塔1Aでは、吸着処理、回収再生処理及びリペア処理が行われる。吸着処理では、被処理ガスをケーシング2の内部空間で流通させ、二酸化炭素吸着材3に二酸化炭素を吸着させて被処理ガスから二酸化炭素を分離し、二酸化炭素が除去された清浄ガスをケーシング2の内部空間から排出する。回収再生処理では、水蒸気をケーシング2の内部空間で流通させて二酸化炭素吸着材3を加熱し、二酸化炭素吸着材3に吸着された二酸化炭素を離脱させ、二酸化炭素を回収すると共に二酸化炭素吸着材3を再生する。リペア処理では、吸着性能が低下した二酸化炭素吸着材3を吸着液で浸漬し(浸漬工程)、吸着液を回収し(吸着液回収工程)、不活性ガスをケーシング2の内部空間を流通させて二酸化炭素吸着材3を乾燥させ(乾燥工程)、それにより二酸化炭素吸着材3に吸着剤を再担持させて二酸化炭素吸着材3の吸着性能を回復させる。なお、不活性ガスには、例えば窒素ガスを適用することができる。
ケーシング2は、被処理ガス及び不活性ガスを選択的に取り入れるためのガス流入口10、清浄ガス及び不活性ガスを選択的に排出するためのガス流出口11、水蒸気の元となる水を取り入れるための水流入口12、二酸化炭素を排出するための二酸化炭素流出口13、吸着液を取り入れるための吸着液流入口14、吸着液を排出するための吸着液流出口15、内部空間に溜まったドレンを排出するための内側ドレン口16を有している。ガス流入口10及び二酸化炭素流出口13は、ケーシング2の上壁部に設けられて内部空間に連通している。水流入口12、吸着液流出口15及び内側ドレン口16は、ケーシング2の底壁部に設けられて内部空間に連通している。ガス流出口11及び吸着液流入口14は、ケーシング2の側壁部に設けられて内部空間に連通している。ここでは、ガス流入口10は、被処理ガス及び不活性ガスに対し共用されているが、被処理ガス及び不活性ガスそれぞれに専用のガス流入口が設けられていてもよい。ガス流出口11についても同様である。
ケーシング2は、二重壁構造を有している。つまり、ケーシング2は、内部空間を規定する円筒状の内殻部21と、内殻部21を外囲する円筒状の外殻部22と、内殻部21の外周面と外殻部22の内周面との間に形成された円環状断面を有する流体通路20と、流体通路20に高熱流体を流入させるための流体流入口17と、流体通路20から高熱流体を流出させるための流体流出口18と、流体通路20内に溜まったドレンを排出するための外側ドレン口19とを有している。
高熱流体は、ケーシング2の外気よりも高温、好ましくは回収再生処理で用いられる水蒸気よりも高温を有する気体又は液体である。高熱流体が流体通路20に供給されると、ケーシング2の温度が、外気よりも高温、好ましくは水蒸気よりも高温となる。回収再生処理を行うときにケーシング2が昇温されると、水蒸気の熱損失を低減することができ、二酸化炭素分離回収装置の効率を改善することができる。また、流体流入口17は、外殻部22の側壁下端部に設けられ、流体流出口18は、外殻部22の側壁上端部に設けられ、流体流入口17と周方向反対側に離れて配置されている。流体流入口17及び流体流出口18が上下方向においても周方向においても互いに離れて配置されるので、高熱流体が流体通路20に供給されたときにケーシング2を全体的に昇温させることができる。なお、外側ドレン口19は、ケーシング2の底壁部に設けられ、流体通路20に連通している。
本実施形態では、被処理ガスである燃焼排ガスが比較的高温(例えば摂氏80度程度)となることに照らし、被処理ガスが高熱流体に適用される。この場合、高熱流体を生成するため専用の熱源又は加熱器が不要となるので、二酸化炭素分離回収装置の構成が全体として大型化するのを避けることができる。
各処理塔1A,1Bは、収容槽4、通路開閉機構5及びシャワー6を備えている。収容槽4は、上方に開放された円筒状に形成されている。収容槽4は、ケーシング2(内殻部21)の内周面のうち上下方向中間部に密接するようにして、ケーシング2の内部空間に設置される。二酸化炭素吸着材3は、収容槽4の内部に収容される。通路開閉機構5は、固定板23、可動板24、動力伝達部25及び電動機26を有している。固定板23及び可動板24は略同一半径を有する円板状体であり、固定板23及び可動板24には、多数の貫通孔が分散して設けられている。固定板23は、収容槽4の側壁の内周面に固定され、可動板24は、固定板23の上面に回転可能に重ねられており、固定板23及び可動板24が収容槽4の底壁を構成している。動力伝達部25は、可動板24の外周部の表面に設けられた円弧状の従動傘歯車27と、従動傘歯車27に噛合する駆動傘歯車28とを有している。電動機26は、固定板23に設けられたステー29に取り付けられ、電動機26の回転軸が駆動傘歯車28に接続されている。シャワー6は、収容槽4内の二酸化炭素吸着材3よりも上方に配置され、吸着液流入口14から取り入れられた吸着液を下向きに噴射する。
電動機26の動作により、可動板24は、閉鎖位置と開放位置との間で回転変位可能である。可動板24が閉鎖位置にあると、可動板24の貫通孔が固定板23の貫通孔と重なり合わない。それにより、シャワー6から噴射された吸着液を収容槽4内に貯留することができる。つまり、リペア処理の浸漬工程を行うときには、可動板24が閉鎖位置に位置する。他方、可動板24が開放位置にあると、可動板24の貫通孔が固定板23の貫通孔と重なり合う。それにより、被処理ガス、清浄ガス、水蒸気、吸着液及び不活性ガスが収容槽4の底壁を通り抜けることができる。つまり、吸着処理、回収再生処理、リペア処理の吸着液回収工程及びリペア処理の乾燥工程を行うときには、可動板24が開放位置に位置する。
各処理塔1A,1Bは、貯留部31、加熱部32及び攪拌部33を備えている。貯留部31は、上方が開放された容器であり、ケーシング2(内殻部21)の内底面の中心部に設置されている。貯留部31は、水流入口12から取り入れられた液相の水を貯留することができる。加熱部32は、貯留部31内に配置され、貯留部31に貯留されている水を加熱する。攪拌部33は、貯留部31の内底部に配置され、貯留部31に貯留されている水を攪拌する。加熱部32及び攪拌部33が動作すると、貯留部31に貯留されている水の温度を一様に上昇させることができる。本実施形態では、貯留部31に貯留されている水を加熱して蒸発させることにより、回収再生処理で用いる水蒸気がケーシング2の内部空間に放出される。このように、貯留部31、加熱部32及び攪拌部33は、水蒸気をケーシング2の内部空間で発生して該水蒸気をケーシング2の内部空間に放出する蒸気発生装置30を構成している。貯留部31は、庇34で上側から覆われている。これにより、貯留部31で発生した水蒸気をケーシング2の内部空間に好適に放出することと、吸着液が貯留部31内に浸入するのを防ぐこととを両立することができる。吸着液が貯留部31内に浸入するのを防ぐことにより、当該吸着液がケーシング2の内底部に溜まりやすくなり、吸着液の回収量を多く確保することができる。
(系統)
図1に戻り、二酸化炭素分離回収装置は、被処理ガス供給ライン40、高熱流体供給ライン50、高熱流体排出ライン60、清浄ガス排出ライン70、給水ライン80、二酸化炭素回収ライン90、吸着液供給ライン100、吸着液回収ライン110、不活性ガス循環ライン120、内側ドレンライン130及び外側ドレンライン135を備えている。ライン端部に記載された丸囲み文字を参照するとわかるように、いずれのラインも、第1処理塔1Aのケーシング2及び第2吸着塔1Bのケーシング2に接続されている。そして、各ライン40,50,60,70,80,90,100,110は、共通管と、共通管の一端部から分岐する2つの分岐管とを有し、分岐管の各端部が2つのケーシング2に対して並列接続されている。
被処理ガス供給ライン40は、被処理ガスをケーシング2の内部空間に供給するためのラインである。共通管41の他端部(上流端部)は、被処理ガスの発生源(例えばボイラ)に接続されている。分岐管42A,42Bの各端部(下流端部)は、ガス流入口10(図2参照)に接続される。共通管41の途中には、凝縮器36及び加熱器37が設けられている。分岐管42A,42Bの途中には、バルブ44A,44Bが設けられている。
高熱流体供給ライン50は、高熱流体としての被処理ガスをケーシング2の流体通路20(図2参照)に供給するためのラインである。共通管51の他端部(上流端部)は、被処理ガス供給ライン40の共通管41のうち、凝縮器36及び加熱器37よりも上流側に接続されている。分岐管52A,52Bの各端部(下流端部)は、流体流入口17(図2参照)に接続されている。共通管51の途中には、バルブ53が設けられている。分岐管52A,52Bの途中には、バルブ54A,54Bが設けられている。
高熱流体排出ライン60は、高熱流体としての被処理ガスを被処理ガス供給ライン40に戻すためのラインである。分岐管62A,62Bの各端部(上流端部)は、流体流出口18(図2参照)に接続されている。共通管61の他端部(下流端部)は、被処理ガス供給ライン40の共通管41のうち、凝縮器36及び加熱器37よりも上流側且つ高熱流体供給ライン50との接続位置よりも下流側に接続されている。共通管61の途中には、バルブ63が設けられている。分岐管62A,62Bの途中には、バルブ64A,64Bが設けられている。そして、被処理ガス供給ライン40の共通管41の途中には、高熱流体供給ライン50との接続位置よりも下流側且つ高熱流体排出ライン60との接続位置よりも上流側において、バルブ43が設けられている。後述のとおり、バルブ43,53,63は、第1処理塔1A又は第2処理塔1Bに高熱流体を供給するか否かを切り替えるための装置として機能する。
清浄ガス排出ライン70は、ケーシング2の内部空間から清浄ガスを排出するためのラインである。分岐管72A,72Bの各端部(上流端部)は、ガス流出口11(図2参照)に接続されている。共通管71の他端部(下流端部)は、煙突(図示せず)に接続されている。分岐管72A,72Bの途中には、バルブ73A,73Bが設けられている。共通管71の途中には、バグフィルタ74及びファン75が設けられている。
給水ライン80は、二酸化炭素を二酸化炭素吸着材3から離脱させるために用いられる水蒸気の元となる液相の水を貯留部31に供給するためのラインである。共通管81の他端部(上流端部)は、給水源(図示せず)に接続されている。分岐管82A,82Bの各端部(下流端部)は、水流入口12(図2参照)に接続されている。分岐管82A,82Bの途中には、バルブ83A,83Bが設けられている。共通管81の途中には、給水ポンプ84が設けられている。
二酸化炭素回収ライン90は、二酸化炭素吸着材3から離脱した二酸化炭素を水蒸気と共にケーシング2の内部空間から排出するためのラインである。分岐管92A,92Bの各端部(上流端部)は、二酸化炭素流出口13(図2参照)に接続されている。共通管91の他端部(下流端部)は、回収容器(図示せず)に接続されている。分岐管92A,92Bの途中には、バルブ93A,93Bが設けられている。共通管91の途中には、真空ポンプ35が設けられている。真空ポンプ35は、ケーシング2の内部空間を減圧することができ、それにより貯留部31に貯留されている水を低温で蒸発させることができる。このように、本実施形態では、真空ポンプ35も前述の蒸気発生装置30を構成する。
吸着液供給ライン100は、吸着液をシャワー6に供給するためのラインである。共通管101の他端部(上流端部)は、吸着液を貯留する吸着液タンク105に接続されている。分岐管102A,102Bの各端部(下流端部)は、吸着液流入口14(図2参照)に接続されている。分岐管102A,102Bの途中には、バルブ103A,103Bが設けられている。共通管101の途中には、吸着液供給ポンプ104が設けられている。
吸着液排出ライン110は、吸着液を吸着液タンク105に戻すためのラインである。分岐管112A,112Bの各端部(上流端部)は、吸着液流出口15(図2参照)に接続されている。共通管111の他端部(下流端部)は、吸着液タンク105に接続されている。分岐管112A,112Bの途中には、バルブ113A,113Bが設けられている。
不活性ガス循環ライン120は、不活性ガスがケーシング2の内部空間を流通するようにして不活性ガスを循環させるためのラインである。不活性ガス循環ライン120は、共通管121、第1分岐管122A,122B、及び、第2分岐管123A,123Bを有している。第1分岐管122A,122Bは、共通管121の一端部から分岐している。第2分岐管123A,123Bは、共通管121の他端部から分岐している。第1分岐管122A,122Bの各端部は、被処理ガス供給ライン40と共用のガス流出口11(図2参照)に接続されている。第2分岐管123A,123Bの各端部は、清浄ガス排出ライン70と共用のガス流入口10(図2参照)に接続されている。第1分岐管122A,122Bの途中には、バルブ124A,124Bが設けられており、第2分岐管123A,123Bの途中にも、バルブ125A,125Bが設けられている。共通管121の途中には、凝縮器36、加熱器37及びファン126が設けられている。共通管121は、不活性ガス循環ライン120に不活性ガスを充填するための不活性ガス供給ライン127と接続されている。不活性ガス供給ライン127の途中には、バルブ128が設けられている。
内側ドレンライン130は、内側ドレン口16(図2参照)に接続されている。内側ドレンライン130の途中には、バルブ131が設けられている。外側ドレンライン135は、外側ドレン口19(図2参照)に接続されている。外側ドレンライン135の途中には、バルブ136が設けられている。
(制御系)
図2に戻り、二酸化炭素分離回収装置は、制御器140を備えている。制御器140は、水温センサ141、加熱部32、攪拌部33及び真空ポンプ35と接続されている。水温センサ141は、貯留部31に貯留されている水の温度を検出する。制御器140は、水温センサ141によって検出される水温に応じて、加熱部32、攪拌部33及び真空ポンプ35の動作を後述するように制御する。また、制御器140は、電動機26、ファン75,126及び前述した各バルブとも接続されている。以下の説明において、電動機26、加熱部32、攪拌部33、真空ポンプ35、ファン75,126及びバルブの動作は、制御器140により制御されるものとする。
(二酸化炭素分離回収処理)
図3は、図2に示す制御器140により実行される二酸化炭素分離回収処理の手順を示すフローチャート、図4は、図3に示す回収再生処理(S2)の手順を示すフローチャートである。図5は、第1処理塔1Aで吸着処理が行われ、第2処理塔1Bでリペア処理の浸漬工程が行われているときのガス等の流れを示す作用図、図6は、第1処理塔1Aで吸着処理が行われ、第2処理塔1Bでリペア処理の吸着液回収工程が行われているときのガス等の流れを示す作用図、図7は、第1処理塔1Aで吸着処理が行われ、第2処理塔1Bでリペア処理の乾燥工程が行われているときのガス等の流れを示す作用図である。図8は、第1処理塔1Aで回収再生処理の給水が行われ、第2処理塔1Bで吸着処理が行われているときのガス等の流れを示す作用図、図9は、第1処理塔1Aで回収再生処理の二酸化炭素回収が行われ、第2処理塔1Bで吸着処理が行われているときのガス等の流れを示す作用図である。
図3に示すように、各処理塔1A,1Bでは、吸着処理(ステップS1)及び回収再生処理(ステップS2)の一連の処理が繰り返される。繰り返された回数が所定数に達したり、吸着処理に費やされた時間が所定時間に達したりして、リペア処理が必要となれば(S3:YES)、二酸化炭素吸着材3の吸着性能を回復すべくリペア処理が行われる(ステップS4)。本実施形態では、第1及び第2処理塔1A,1Bのうちいずれか一方が再生処理又はリペア処理を行っている間、他方が吸着処理を行う(図5〜図9参照)。これにより、二酸化炭素分離回収装置が、吸着処理を中断無く連続して行うことができる。
(吸着処理)
図5を参照して吸着処理について説明する。ここでは、第1処理塔1Aが、吸着処理を行う処理塔であるとしている。吸着処理を行うときには、第1処理塔1Aに対応して設けられたバルブのうち、バルブ44A,73Aが開、他のバルブが閉となる。ただし、バルブ136は開であっても閉であってもよい。バルブ136が開であれば、流体通路20に溜まったドレンを吸着処理と同時に排出することができる。
バルブ43,53,63の開閉状態は、第2処理塔1Bで行われている処理に応じて変わる。第2処理塔1Bでも吸着処理が行われていれば、第2処理塔1Bのケーシング2を保温する必要がないので、バルブ43は開、バルブ53,63は閉となる。第2処理塔1Bで回収再生処理が行われていれば、当該第2処理塔1Bのケーシング2を保温することが好ましいので、バルブ43は閉、バルブ53,63は開となる(図8及び図9参照)。リペア処理が行われているときについては後述する。
すると、第1処理塔1Aにおいて、被処理ガスがケーシング11の内部空間に流入し、収容槽4内の二酸化炭素吸着材3へと供給される。被処理ガスに含まれる二酸化炭素は吸着剤に吸着され、それにより被処理ガスが清浄ガスとなる。清浄ガスは、収容槽4(図2参照)の底壁を通り抜け、ケーシング2の内部空間から排出される。清浄ガスは、バグフィルタ74で濾過されてから外気へと排出される。このとき、ファン75が駆動されているので、被処理ガス及び清浄ガスが上記のとおりに円滑に流れる。また、バルブ44A,73Aの他のバルブが閉であるので、この他のバルブが設けられているラインに被処理ガス及び清浄ガスが流入するのを阻止することができる。
(リペア処理)
次に、図5〜図7を参照してリペア処理について説明する。ここでは、第2処理塔1Bが、リペア処理を行う処理塔であるとしている。
図5に示すように、リペア処理の浸漬工程を行うときには、第2処理塔1Bに対応して設けられたバルブのうち、バルブ103Bが開、他のバルブが閉となる。ただし、バルブ131,136は開であっても閉であってもよい。バルブ131,136が開であれば、リペア処理と同時にドレンを排出することができる。また、可動板24は閉鎖位置にあり、吸着液供給ポンプ104が駆動される。すると、第2処理塔1Bにおいて、吸着液が吸着液タンク105からシャワー6に供給され、シャワー6から下向きに噴射され、収容槽4(図2参照)内に溜まっていく。吸着液が二酸化炭素吸着材3を吸着液で浸漬するために十分な液位(液面の高さ)になるまで溜まると、バルブ103Bが閉となり、吸着液供給ポンプ104が停止する。これにより、吸着液の供給が停止する。
図6に示すように、リペア処理の吸着液回収工程を行うときには、第2処理塔1Bに対応して設けられたバルブのうち、バルブ113Bが開、他のバルブが閉となる。ただし、バルブ136は開であっても閉であってもよい。また、可動板24は開放位置にある。すると、第2処理塔1Bにおいて、収容槽4内に貯留されている吸着液が、収容槽4(図2参照)の底壁を通り抜け、ケーシング2の内部空間から排出され、吸着液タンク105まで戻される。
図7に示すように、リペア処理の乾燥工程を行うときには、第2処理塔1Bに対応して設けられたバルブのうち、バルブ54B,64B,124B,125Bが開、他のバルブが閉となる。バルブ54B,64Bを開とするので、バルブ43が閉、バルブ53,63が開となる。また、可動板24は開放位置にある。なお、点線で示すように、乾燥工程を行う直前に、バルブ128,124B,125Bが開となり、ファン126が駆動される。これにより、不活性ガスが不活性ガス循環ライン120に充填される。不活性ガス循環ライン120への不活性ガスの充填を終えると、バルブ128が閉となる。
充填を終えた後には、第2処理塔1Bにおいて、不活性ガスがケーシング2の内部空間に流入し、収容槽4の底壁を通り抜け、ケーシング2の内部空間から排出される。排出された不活性ガスは、不活性ガス循環ライン120に沿って流れ、再びケーシング2の内部空間に供給される。このとき、ファン126が駆動されているので、不活性ガスが上記のとおりに円滑に流れる。また、バルブ54B,64B,124B,125Bの他のバルブが閉であるので、この他のバルブが設けられたラインに不活性ガスが流入するのを阻止することができる。
前述のとおり、第1及び第2処理塔1A,1Bのうちいずれか一方(ここでは第2処理塔1B)でリペア処理が行われている間、他方(ここでは第1処理塔1A)で吸着処理が行われる。これら第1及び第2処理塔1A,1Bの関係に着目すると、第2処理塔1Bに対応して設けられたバルブ44Bが閉であるので、第1処理塔1Aで処理されるべき被処理ガスが、第2処理塔1Bのケーシング2の内部空間に混入するのを阻止することができる。また、第1処理塔1Aに対応して設けられたバルブ124A,125Aが閉であるので、第2処理塔1Bのみに供給されるべき不活性ガスが第1処理塔1Aのケーシング2の内部空間に混入するのを阻止することができる。
また、第2処理塔1Bにおいては、高熱流体としての被処理ガスが流体通路20(図2参照)に供給される。流体通路20から排出された高熱流体(被処理ガス)は、被処理ガス供給ライン40に戻され、第1処理塔1Aのケーシング2の内部空間に送られる。これにより、乾燥工程を行うときに、ケーシング2を昇温させることができ、二酸化炭素吸着材3を速やかに乾燥することができる。第2処理塔1Bでリペア処理が行われている間、第1処理塔1Aでは吸着処理が行われている。このため、高熱流体に適用された被処理ガスが、吸着処理されずに外気に排出されるのを避けることができる。なお、浸漬工程及び回収工程を行うときには、バルブ43を開、バルブ53,63が閉となり、被処理ガスが流体通路20に供給されない。これにより、吸着剤の蒸散を好適に抑制することができる。
(回収再生処理)
次に、図4,図8及び図9を参照して回収再生処理について説明する。ここでは、第1処理塔1Aが回収再生処理を行う処理塔であるとしている。他方、第2処理塔1Bでは、吸着処理が行われる。この第2処理塔1Bでは、前述同様、第2処理塔1Bに対応して設けられたバルブのうち、バルブ44B,73Bが開、他のバルブが閉となる(図8及び図9参照)。ただし、バルブ136は開であっても閉であってもよい。
図4に示すように、回収再生処理では、まず、第1処理塔1Aの貯留部31への給水を開始し(ステップS201)、第1処理塔1Aの流体通路20に高熱流体としての被処理ガスを供給する(ステップS202)。
このとき、図8に示すように、第1処理塔1Aに対応して設けられたバルブのうち、バルブ54A,64A,83Aが開、他のバルブが閉となる。ただし、バルブ131は開であっても閉であってもよい。バルブ43は閉、バルブ53,63は開となる。そして、給水ポンプ84が駆動される。すると、第1処理塔1Aにおいて、液相の水が貯留部31に溜まっていく。また、高熱流体としての被処理ガスが流体通路20(図2参照)に供給される。流体通路20から排出された高熱流体(被処理ガス)は、被処理ガス供給ライン40に戻され、第2処理塔1Bのケーシング2の内部空間に送られる。これにより、高熱流体としての被処理ガスが第2処理塔1Bにおいて清浄ガスとなり、この清浄ガスが外気へと排出される。
図4に戻り、貯留部31に供給された水が所定レベルに達すると、貯留部31への給水を停止する(ステップS203)。このとき、バルブ83Aが閉となり、給水ポンプ84が停止する。次に、貯留部31に貯留されている水を加熱及び攪拌する(ステップS204)。このとき、制御器140は、水温センサ141により検出される水温が所定温度(例えば摂氏60度)に達するまで、加熱部32及び攪拌部33を動作させる。水温が所定温度に達すると、加熱部32及び攪拌部33を停止する(ステップS205)。次に、真空ポンプ35を動作させる(ステップS206)。
このとき、図9に示すように、第1処理塔1Aに対応して設けられたバルブのうち、バルブ54A,64A,93Aが開、他のバルブが閉となる。加熱及び攪拌を行っているときのバルブの開閉状態を基準にすれば、バルブ93Aが閉から開に切り替えられるだけであり、他のバルブの開閉状態は維持される。なお、可動板24は、給水、加熱及び攪拌をしている間、開放位置にあっても閉鎖位置にあってもよいが、加熱及び攪拌が終了する時点では開放位置に位置している。
すると、第1処理塔1Aにおいては、真空ポンプ35の動作により、ケーシング2の内部空間が減圧される。ケーシング2の内部空間が、貯留部31に貯留されている水の飽和水蒸気圧に達するまで降圧すると、その水が蒸発し、水蒸気がケーシング2の内部空間に放出される。水蒸気は、真空ポンプ35の動作により、ケーシング2の内部空間から二酸化炭素流出口13を介して二酸化炭素回収ライン90へと引き込まれる。
二酸化炭素流出口13は、ケーシング2の上壁部に設けられている一方、貯留部31はケーシング2の内底部に設置されている。二酸化炭素吸着材3は、ケーシング2の上下方向中間部に配置されており、二酸化炭素流出口13と貯留部31との間に配置されている。このため、水蒸気は、二酸化炭素回収ライン90へと引き込まれる過程で、収容槽4の底部及び内部を通り抜け、二酸化炭素吸着材3に良好に接触していく。これにより、二酸化炭素吸着材3が加熱され、二酸化炭素吸着材3に吸着されている二酸化炭素が離脱する。離脱した二酸化炭素は、真空ポンプ35の動作により、ケーシング2の内部空間から二酸化炭素流出口13を介して二酸化炭素回収ライン90へと引き込まれる。これにより、二酸化炭素を二酸化炭素吸着材3から離脱させて回収することができ、且つ、二酸化炭素吸着材3を再生することができる。
図4に戻り、二酸化炭素の離脱回収が終われば、真空ポンプ35を停止させ(ステップ207)、また、ケーシング2の流体流路20への高熱流体の供給を停止する(ステップS208)。
このように本実施形態では、ケーシング2の内部空間に、回収再生処理で用いる水蒸気の元となる水を貯留する貯留部31が配置されている。つまり、ケーシング外からケーシング内に水蒸気を供給するための配管が省略されている。このため、配管を介して蒸気を供給することに起因する蒸気の熱損失及び偏流を防ぐことができる。したがって、二酸化炭素の離脱回収(二酸化炭素吸着材の再生)に必要な蒸気量を低減することができる。また、蒸気を発生する段階での水温を低くすることができる。これにより、二酸化炭素分離回収装置の効率を改善することができる。
水蒸気の元となる液相の水を貯留する貯留部31は、ケーシング2の内部、特に内底部に設置され、貯留部31の上方に二酸化炭素吸着材3が配置されている。このため、ケーシング2の内部空間で水蒸気を発生するための構造を簡便に配置することができる。また、発生された水蒸気が自然対流により二酸化炭素吸着材3に供給されるようにもなる。
貯留部31は、ケーシング2の内底部の中心部に設置されている。そして、貯留部31の上方の開放部分の面積は、一般的な配管の断面積よりも大きく、例えば水取入口12の流路断面よりも大きい。このため、貯留部31から放出された水蒸気は偏流を生じにくい。このため、二酸化炭素吸着材3の再生ムラを抑制することができ、二酸化炭素吸着材の全体の再生に必要な蒸気量を低減することができる。このため、二酸化炭素分離回収装置の効率を改善することができる。また、二酸化炭素及び水蒸気をケーシング2の内部空間から排出するための二酸化炭素流出口13も、ケーシング2の上壁部の中心部に配置されている。このため、水蒸気の偏流を更に抑制することができ、二酸化炭素分離回収装置の効率が更に改善される。
このように、ケーシング2の内部空間で水蒸気を発生するに際し、ケーシング2の内部空間が減圧されるようになっている。これにより、低温の水蒸気を発生することができる。したがって、二酸化炭素吸着材3が水蒸気の熱で劣化するのを好適に抑制することができる。また、加熱部32におけるエネルギー消費の低減や加熱時間の短縮を図ることができる。
内部空間を減圧にするにあたって、二酸化炭素吸着材3から離脱した二酸化炭素を回収するための二酸化炭素回収ライン90に真空ポンプ35を設けておき、この真空ポンプ35を動作させることによってケーシング2の内部空間を減圧している。この真空ポンプ35が停止すれば、ケーシング2の内圧は減圧前の状態に戻り、これにより水蒸気の発生が停止するし、二酸化炭素回収ライン90への二酸化炭素の引き込みも停止する。つまり、真空ポンプ35を動作させるか否か及びバルブ93Aの開閉状態を切り替えるだけで、水蒸気を発生させるか否か、二酸化炭素の離脱回収(二酸化炭素吸着材の再生)を行うか否か、二酸化炭素及び水蒸気をケーシング2の内部空間から二酸化炭素回収ライン90に引き込んで回収するか否かを、一括して切り替えることができる。このため、蒸気をケーシング2の内部空間に供給するための配管を設けている場合と比較して、二酸化炭素分離回収装置の構成が全体として小型化し、また、回収再生処理を実行したり停止したりするための制御を簡便に行うことができる。
そして、水蒸気で二酸化炭素吸着材3を加熱するとき、ケーシング2の温度は高熱流体により上昇している。このため、水蒸気の熱がケーシング2に奪われるのを抑制することができる。このため、水蒸気が発生及び生成される時点での水蒸気の温度を低くしても二酸化炭素吸着材3から二酸化炭素を離脱させることができるようになる。このため、二酸化炭素分離回収装置の効率を改善することができる。
ケーシング2の昇温を図るのであれば、高熱流体は、ケーシング2の外気よりも高温を有していればよい。本実施形態では、高熱流体が水蒸気の温度よりも高温を有しているので、水蒸気の熱損失を良好に抑制することができる。また、回収再生処理では、水蒸気の発生前に、貯留部31に給水して貯留部31に溜めた水を加熱及び攪拌するところ、貯留部31への給水開始とほぼ同時に、高熱流体がケーシング2の流体通路20に供給される。このため、ケーシング2が大型でケーシング2の熱容量が大きい場合でも、水蒸気を発生させるときには、ケーシング2の温度を高熱流体と略同じ温度にまで高めることができる。このため、水蒸気の熱損失を良好に抑制することができ、二酸化炭素分離回収装置の効率を良好に改善することができる。
そして、本実施形態に係る二酸化炭素分離回収装置は、火力発電所のボイラ等から排出される燃焼排ガスを被処理ガスとしており、この被処理ガスが元より水蒸気よりも高温を有していることに照らして、被処理ガスがケーシング2を昇温させるための高熱流体に適用されている。このため、高熱流体を生成するために専用の加熱器や熱源が不要であり、二酸化炭素分離回収装置の構成が全体として大型化するのを好適に抑制することができる。
これまで本発明の実施形態について説明したが、上記構成は本発明の範囲内で適宜変更可能である。例えば、上記実施形態に係る二酸化炭素分離回収装置において、二酸化炭素吸着材の製造を行ってもよい。二酸化炭素吸着材を製造するときには、多孔性物質を収容槽内に充填し、前述したリペア処理と同様にしてバルブ、通路開閉機構、吸着液供給ポンプを動作させればよい。しかし、本発明に係る二酸化炭素分離回収装置は、ケーシング2の内部空間で水蒸気を発生可能であればよいので、リペア処理及び製造処理を行えなくてもよい。このとき、通路開閉機構から貫通孔を有する固定板のみを残しておき、通路開閉機構の他の構成をシャワーと共に省略することができる。また、被処理ガスが高熱流体に適用されているが、他の気体又は液体が適用されてもよい。
本発明は、二酸化炭素の離脱回収(二酸化炭素吸着材の再生)に必要な蒸気量及び当該蒸気の熱損失を低減することができ、それにより二酸化炭素分離回収装置の効率を改善することができるとの作用効果を奏し、二酸化炭素の分離及び回収にいわゆる固体吸着剤法を適用した二酸化炭素分離回収装置に利用されると有益である。
1A,1B 処理塔
2 ケーシング
3 二酸化炭素吸着材
10 ガス流入口
11 ガス流出口
12 水流入口
13 二酸化炭素流出口
17 流体流入口
18 流体流出口
20 流体通路
21 内殻部
22 外殻部
30 蒸気発生装置
31 貯留部
32 加熱部
33 攪拌部
35 真空ポンプ
40 被処理ガス供給ライン
50 高熱流体供給ライン
60 高熱流体排出ライン
70 清浄ガス排出ライン
80 給水ライン
90 二酸化炭素回収ライン

Claims (8)

  1. 二酸化炭素を含有する被処理ガスから二酸化炭素を分離して、被処理ガスから分離された二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置であって、
    被処理ガスが流通する内部空間を有したケーシングと、
    前記内部空間に配置され、前記内部空間を流通する被処理ガスから二酸化炭素を吸着して分離する二酸化炭素吸着材と、
    前記二酸化炭素吸着材に吸着された二酸化炭素を離脱させて回収するための蒸気を前記内部空間で発生して前記内部空間に放出する蒸気発生手段と、を備え
    前記蒸気発生手段が、前記ケーシングの内部に設置されて水を貯留する貯留部を有し、前記貯留部に貯留されている水を蒸発させることにより蒸気を発生するよう構成され、
    前記蒸気発生手段が、前記内部空間を減圧する減圧手段を有する、二酸化炭素分離回収装置。
  2. 前記蒸気発生手段が、前記貯留部に貯留されている水を加熱する加熱部と、前記貯留部に貯留されている水を攪拌する攪拌部と、を有する、請求項に記載の二酸化炭素分離回収装置。
  3. 前記内部空間からの二酸化炭素及び蒸気が流通する二酸化炭素回収ラインを更に備え、
    前記減圧手段が、前記二酸化炭素回収ライン上に設けられた真空ポンプであり、
    前記真空ポンプが動作すると、前記貯留部に貯留されている水が蒸発し、且つ、該貯留されている水より発生した蒸気が前記二酸化炭素吸着材から離脱した二酸化炭素と共に前記二酸化炭素回収ラインに引き込まれる、請求項1又は2に記載の二酸化炭素分離回収装置。
  4. 前記ケーシングが、前記二酸化炭素回収ラインと接続される二酸化炭素排出口を有し、
    前記二酸化炭素吸着材が、前記貯留部と前記二酸化炭素排出口との間に配置されている、請求項に記載の二酸化炭素分離回収装置。
  5. 前記貯留部が、前記ケーシングの内底部の中心部に設置されている、請求項乃至のいずれか1項に記載の二酸化炭素分離回収装置。
  6. 二酸化炭素を含有する被処理ガスから二酸化炭素を分離して、被処理ガスから分離された二酸化炭素を回収する二酸化炭素分離回収装置であって、
    被処理ガスが流通する内部空間を有したケーシングと、
    前記内部空間に配置され、前記内部空間を流通する被処理ガスから二酸化炭素を吸着して分離する二酸化炭素吸着材と、
    前記二酸化炭素吸着材に吸着された二酸化炭素を離脱させて回収するための蒸気を前記内部空間で発生して前記内部空間に放出する蒸気発生手段と、を備え、
    前記ケーシングが、前記内部空間を規定する内殻部と、前記内殻部の外側を覆う外殻部と、前記内殻部及び前記外殻部により囲まれた流体通路と、前記ケーシングの外気よりも高温を有した高熱流体を前記流体通路に流入させるための流体流入口と、前記流体通路から前記高熱流体を流出させるための流体流出口と、を有する、酸化炭素分離回収装置。
  7. 前記高熱流体が被処理ガスである、請求項に記載の二酸化炭素分離回収装置。
  8. 第1ケーシング及び第2ケーシングを含む少なくとも2つの前記ケーシングを備え、
    前記第1ケーシングにおいて前記蒸気発生手段を動作させて二酸化炭素が離脱回収されるときに、被処理ガスが、前記第1ケーシングの前記流体通路を通過した後に前記第2ケーシングの前記内部空間に供給され、前記第2ケーシングにおいて被処理ガスから二酸化炭素が吸着分離される、請求項に記載の二酸化炭素分離回収装置。
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