JP6079144B2 - 二酸化炭素回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼に伴う排気ガス等の二酸化炭素を含有する混合ガスから二酸化炭素を分離して回収する二酸化炭素回収装置に関する。

火力発電所、製鉄所、ボイラー等のプラントにおいては、大量の化石燃料（例えば、石炭、重油、超重質油）を燃焼させている。したがって、化石燃料の燃焼に伴って、二酸化炭素（ＣＯ_２）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排気ガスが上記プラントから排出されることとなる。排気ガスに含まれる物質の中で、二酸化炭素は、地球温暖化の要因となっており、気候変動に関する国際連合枠組条約等において大気への排出量が規制されている。

そこで、燃焼に伴う排気ガスや、プロセスに伴う排気ガス等の二酸化炭素を含む排気ガスから二酸化炭素を分離して回収し、その後、二酸化炭素が取り除かれた排気ガスを大気へ排出する技術（ＣＣＳ：Carbon dioxide Capture and Storage）が開発されている。ＣＣＳを利用した二酸化炭素回収装置は、吸収液（二酸化炭素を吸収していない吸収液、以下、リーン吸収液と称する）と排気ガスとを接触させて、排気ガスに含まれる二酸化炭素をリーン吸収液に吸収させることで、排気ガスから二酸化炭素を除去する吸収塔と、二酸化炭素を吸収した吸収液（以下、リッチ吸収液と称する）から二酸化炭素を放出させてリーン吸収液に再生する再生塔とを備え、再生塔で再生されたリーン吸収液は、吸収塔で再利用される。そして、再生塔で放出された二酸化炭素は、圧縮機で圧縮された後、大気に排出されずに、地下の帯水層や地中の油田に貯留されたり、海洋や河川に溶解させられたりする。

再生塔において、リッチ吸収液から二酸化炭素を放出するためには、リッチ吸収液を加熱する必要がある。したがって、二酸化炭素回収装置全体としての稼働コストを低減するために、上記加熱に要するエネルギーの低減が希求されている。

そこで、再生塔の下流側に複数の圧縮機を直列に備えておき、再生塔から排出された二酸化炭素と水蒸気を含む回収ガスを圧縮機で圧縮する際に生じる熱を圧縮機ごとに回収し、回収した熱を再生塔で利用する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１２−５３８号公報

上述した特許文献１の技術では、圧縮機の具体的な構成については考慮されていない。例えば、それぞれ別体の圧縮機を複数設置する構成が想定できるが、複数の圧縮機を導入するにはコストがかかり過ぎる上、設置のために占有する空間が過大となってしまう。

そこで、圧縮機として、１つの軸に複数のインペラが設けられた、所謂、一軸多段式の圧縮機を１台のみ配し、インペラごとに段階的に回収ガスを圧縮しつつ熱回収をする構成も考えられる。しかし、一軸多段式の圧縮機においては、インペラごとに回転数を調整することが困難であることから、少ないインペラ数で回収ガスを所望の圧縮率で圧縮しようとすると、インペラや流路の形状等の設計が煩雑化してしまう。また、回収ガスを所望の圧縮率で圧縮するために、どうしても多数のインペラを配さなければならない場合もあり、このような場合には、別個の圧縮機を複数設置する場合と同様、導入コストや設置のために占有する空間が過大となってしまう場合があった。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、設計作業が煩雑化することなく、圧縮機の導入コストを低減しつつ、圧縮機の設置のために占有する空間を縮小することが可能な二酸化炭素回収装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、該吸収液に二酸化炭素を吸収させ、二酸化炭素含有吸収液を生成する吸収部と、前記二酸化炭素含有吸収液を加熱し、当該二酸化炭素含有吸収液から二酸化炭素を放出させることで、該二酸化炭素含有吸収液を前記吸収液に再生する再生部と、前記再生部から排出された二酸化炭素および水蒸気を含有する回収ガスが通過する通過ラインと、前記通過ラインに設けられ、前記回収ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機における前記回収ガスの圧縮に伴って発生する熱を回収して前記再生部へ供給する複数の熱交換部と、前記通過ラインに設けられ、前記熱交換部によって熱が回収されることで凝縮した水を回収ガスから分離する気液分離部と、前記気液分離部によって水が分離された前記回収ガスが通過する回収ラインと、を備え、前記圧縮機は、複数のシャフトと、前記シャフトのいずれかの端部に固定された複数のインペラと、前記複数のインペラのいずれかが収容され、該インペラの回転によって前記回収ガスが圧縮される複数の圧縮室と、前記複数の圧縮室の外壁を形成する複数の圧縮容器と、前記複数のシャフトそれぞれに対し回転数の相異なる回転動力を伝達する変速機構と、前記複数の圧縮容器と連結され、前記変速機構を収容する変速容器と、前記複数の圧縮容器それぞれと前記変速容器とを連結し、端部を該圧縮容器と該変速容器に収容された前記シャフトが挿通される複数の連結部と、前記シャフトが挿通され、前記連結部の内部において前記シャフトの軸方向に対向配置されて、前記圧縮容器から前記変速容器への前記回収ガスの漏洩を防止する一対のドライガスシールと、を有し、前記回収ガスが前記複数の圧縮室を順次流通することで、該回収ガスの圧縮率が高められる遠心式の圧縮機であって、前記熱交換部は、前記複数の圧縮室それぞれの後段に配され、前記回収ラインは、前記連結部と、前記一対のドライガスシールとで囲繞された空間に連通していることを特徴とする。

本発明によれば、設計作業が煩雑化することなく、圧縮機の導入コストを低減しつつ、圧縮機の設置のために占有する空間を縮小することが可能となる。

二酸化炭素回収装置の構成を説明するための図である。 圧縮機の構成を説明するための図である。 圧縮容器と、圧縮容器および変速容器の連結部を説明するための説明図である。 圧縮機の設計計算の一例を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（二酸化炭素回収装置１００）
図１は、本実施形態にかかる二酸化炭素回収装置１００の構成を説明するための図である。図１に示すように、二酸化炭素回収装置１００は、二酸化炭素分離回収ユニット１１０と、二酸化炭素圧縮ユニット２００とを含んで構成される。

二酸化炭素分離回収ユニット１１０は、二酸化炭素を含有するガスＧから二酸化炭素を分離し、二酸化炭素圧縮ユニット２００は、二酸化炭素分離回収ユニット１１０において分離された二酸化炭素を圧縮する。以下、二酸化炭素分離回収ユニット１１０および二酸化炭素圧縮ユニット２００の具体的な構成について説明する。

（二酸化炭素分離回収ユニット１１０）
吸収部（吸収塔）１２０は、例えば、向流型気液接触装置で構成され、二酸化炭素を含有するガスＧを吸収液（以下、リーン吸収液Ｌと称する）に接触させて、リーン吸収液Ｌに二酸化炭素を吸収させ、二酸化炭素含有吸収液（以下、リッチ吸収液Ｒと称する）を生成する。

ここで、ガスＧは、例えば、燃焼に伴う排気ガスや、プロセスに伴う排気ガスであるが、吸収部１２０においてリーン吸収液Ｌに二酸化炭素を効率よく吸収させるために適した温度（例えば、４０℃）であるとよい。なお、燃焼やプロセスに伴う排気ガスが、高温である場合には、別途の冷却装置で冷却した後に吸収部１２０に導入するとしてもよい。リーン吸収液Ｌは、例えば、アルカノールアミン類等の二酸化炭素に対して親和性を有する化合物を吸収剤として含有する水溶液で構成される。

また、吸収部１２０は、その内部に、リーン吸収液ＬとガスＧとの接触面積を大きくするための充填材１２２が設けられている。充填材１２２は、例えば、ステンレス鋼、炭素鋼等の鉄系金属材料で構成される。

本実施形態において、ガスＧは吸収部１２０の下部から導入され、リーン吸収液Ｌは吸収部１２０の上部から導入される。そうすると、ガスＧが吸収部１２０の下部から上部へ通過し、リーン吸収液Ｌが吸収部１２０の上部から下部へ通過する間、すなわち、ガスＧおよびリーン吸収液Ｌが充填材１２２を通過する間に気液接触することで、ガスＧ中の二酸化炭素がリーン吸収液Ｌに吸収される。二酸化炭素が除去されたガスＣは、吸収部１２０の頂部から排出される。なお、リーン吸収液Ｌが二酸化炭素を吸収することによって発熱してリッチ吸収液Ｒの液温が上昇することで、ガスＣに含まれ得る水蒸気等を除去するための冷却凝縮部１２４を吸収部１２０の上部に設けてもよい。

送出ライン１３０は、吸収部１２０の下部と、後述する再生部１４０の上部とを接続するライン（配管）である。

予熱部１３２は、後述する返送ライン１６０を流通するリーン吸収液Ｌが有する熱（顕熱）を回収し、送出ライン１３０を流通するリッチ吸収液Ｒを加熱する。

また、予熱部１３２によって加熱されたリッチ吸収液Ｒは、送出ライン１３０において、後述する第１の熱交換部３１０によって、さらに加熱される。第１の熱交換部３１０による加熱処理については、後に詳述する。

再生部（再生塔）１４０は、例えば、向流型気液接触装置で構成され、送出ライン１３０を通じて、吸収部１２０から送出されたリッチ吸収液Ｒを加熱し、リッチ吸収液Ｒから二酸化炭素を放出させることで、リッチ吸収液Ｒをリーン吸収液Ｌに再生する。具体的に説明すると、再生部１４０は、本体１４２と、リボイラ１５０とを含んで構成される。本体１４２は、吸収部１２０と同様に、その内部に、例えば、ステンレス鋼、炭素鋼等の鉄系金属材料で構成される充填材１４４が設けられている。

リボイラ１５０は、循環ライン１５２と、加熱部１５４とを含んで構成され、本体１４２中のリッチ吸収液Ｒを還流させる。具体的に説明すると、循環ライン１５２は、本体１４２の底部からリッチ吸収液Ｒを本体１４２外に一旦送出した後、本体１４２に再度導入することでリッチ吸収液Ｒを循環させる。加熱部１５４は、スチームヒータ、電気ヒータ等で構成され、循環ライン１５２を流通するリッチ吸収液Ｒを加熱する。また、循環ライン１５２において、リッチ吸収液Ｒは、後述する第２の熱交換部３２０によっても、加熱される。第２の熱交換部３２０による加熱処理については、後に詳述する。

返送ライン１６０は、本体１４２の底部と吸収部１２０の上部とを接続するライン（配管）である。

（吸収液の流れ）
続いて、二酸化炭素分離回収ユニット１１０における吸収液の流れについて説明する。吸収部１２０において生成され、吸収部１２０の底部に貯留されたリッチ吸収液Ｒは、ポンプ１７０ａによって、送出ライン１３０を通じて、再生部１４０における本体１４２の上部へ送出される。なお、リッチ吸収液Ｒは、送出ライン１３０を通過する間に、予熱部１３２、第１の熱交換部３１０によって加熱される。

再生部１４０に導入されたリッチ吸収液Ｒは、本体１４２において、充填材１４４を通過して、本体１４２の底部に貯留され、リボイラ１５０によって加熱される。そして、リボイラ１５０による加熱によって、本体１４２の底部のリッチ吸収液Ｒから二酸化炭素が放出される。

再生部１４０において二酸化炭素が放出することで再生されたリーン吸収液Ｌは、ポンプ１７０ｂにより、返送ライン１６０を通じて、吸収部１２０の上部に返送される。こうして、吸収液は、吸収部１２０と再生部１４０とを循環することになる。なお、リーン吸収液Ｌは、返送ライン１６０を通過する間に、予熱部１３２、冷却部１６２によって、吸収部１２０における二酸化炭素の吸収に適した温度まで冷却される。

一方、再生部１４０においてリッチ吸収液Ｒから放出された二酸化炭素は、水蒸気とともに、二酸化炭素圧縮ユニット２００に排出されることとなる。

（二酸化炭素圧縮ユニット２００）
通過ライン２１０は、二酸化炭素分離回収ユニット１１０を構成する再生部１４０から排出された回収ガスＸ（二酸化炭素および水蒸気）が通過するライン（配管）である。なお、ここでは、再生部１４０から排出された回収ガスＸの温度は、例えば、１１０℃であり、二酸化炭素：水蒸気の比率は１：１である。

第１の圧縮部２２０は、通過ライン２１０に設けられ、再生部１４０から排出された回収ガスＸを、例えば、５００ｋＰａ（Ａ）に圧縮する。なお、Ｐａ（Ａ）は、絶対真空をゼロとした絶対圧を示す。第２の圧縮部２２２は、通過ライン２１０に設けられ、第１の圧縮部２２０によって圧縮された回収ガスＸをさらに圧縮する（例えば、９００ｋＰａ（Ａ））。第３の圧縮部２２４は、通過ライン２１０に設けられ、第２の圧縮部２２２が圧縮した回収ガスＸを、例えば、１３００ｋＰａ（Ａ）に圧縮する。

第２の熱交換部３２０は、第１の圧縮部２２０の下流側、第２の圧縮部２２２の下流側、第３の圧縮部２２４の下流側において、第１の圧縮部２２０による回収ガスＸの圧縮に伴って発生する熱（顕熱）と、第２の圧縮部２２２による回収ガスＸの圧縮に伴って発生する熱（潜熱）と、第３の圧縮部２２４による回収ガスＸの圧縮に伴って発生する熱（顕熱）を回収して、上述した二酸化炭素分離回収ユニット１１０を構成する循環ライン１５２を流通するリッチ吸収液Ｒを加熱する。

例えば、第１の圧縮部２２０の下流側の回収ガスＸ（例えば、２００℃）は、第２の熱交換部３２０によって１４０℃まで冷却される。第２の圧縮部２２２の下流側の回収ガスＸ（例えば、２００℃）は、第２の熱交換部３２０によって１３０℃まで冷却される。第３の圧縮部２２４の下流側の回収ガスＸ（例えば、１７０℃）は、第２の熱交換部３２０によって１３０℃まで冷却される。これに伴い、第２の熱交換部３２０によって、循環ライン１５２を流通する１２０℃のリッチ吸収液Ｒは、１３０℃まで加熱される。

ここで、回収ガスＸは、第２の圧縮部２２２によって圧縮され、第２の熱交換部３２０によって熱が回収されると、回収ガスＸ中の水蒸気が凝縮して水となる。そこで、第２の圧縮部２２２の下流側であり、第２の熱交換部３２０の下流側と、第３の圧縮部２２４の上流側に第１の気液分離部２３０を設ける。

第１の気液分離部２３０は、第２の圧縮部２２２の下流側に設けられ、第２の熱交換部３２０によって熱（潜熱）が回収されることによって、回収ガスＸにおいて凝縮した水（凝縮水）を回収ガスＸから分離する。

第１の熱交換部３１０は、第３の圧縮部２２４の下流側において第２の熱交換部３２０によって冷却された回収ガスＸの熱（顕熱）を回収して、上述した送出ライン１３０を流通するリッチ吸収液Ｒを加熱する。

例えば、第２の熱交換部３２０によって冷却された回収ガスＸ（例えば、１３０℃）は、第１の熱交換部３１０によって１２０℃まで冷却される。これに伴い、第１の熱交換部３１０によって、送出ライン１３０を流通する１１０℃のリッチ吸収液Ｒは、１２０℃まで加熱される。

第２の気液分離部２５０は、第３の圧縮部２２４の下流側に設けられ、第１の熱交換部３１０によって熱（顕熱）が回収され、さらに冷却部２５２によって冷却されることによって、回収ガスＸにおいて凝縮した水（凝縮水）を回収ガスＸから分離する。

回収ライン２５４は、第２の気液分離部２５０と、例えば貯留タンク（不図示）などを接続するライン（配管）であって、第２の気液分離部２５０によって凝縮水が分離された回収ガスＸを、貯留タンクなどに導く。貯留タンクなどに貯留された回収ガスＸの成分は、ほとんど二酸化炭素であって、例えば、地下の帯水層や地中の油田に貯留されたり、海洋や河川に溶解させられたりする。また、回収ライン２５４は、後述する圧縮機４００に連通している。圧縮機４００については後に詳述する。

第１の凝縮水導入ライン２６０は、第１の気液分離部２３０の底部と、通過ライン２１０における第３の圧縮部２２４の下流側であって、第２の熱交換部３２０による熱回収を行う箇所と、第１の熱交換部３１０による熱回収を行う箇所との間とを接続するライン（配管）である。第１の凝縮水導入ライン２６０には、ポンプ２６０ａが設けられており、第１の気液分離部２３０において分離された凝縮水は、ポンプ２６０ａによって、第１の凝縮水導入ライン２６０を通じて、上述した、通過ライン２１０における第２の熱交換部３２０による熱回収を行う箇所と、第１の熱交換部３１０による熱回収を行う箇所との間に導入される。

第２の凝縮水導入ライン２７０は、第２の気液分離部２５０の底部と、上述した返送ライン１６０におけるポンプ１７０ｂと冷却部１６２との間を接続するライン（配管）である。第２の凝縮水導入ライン２７０には、冷却部２７２と、圧力調整弁２７４が設けられており、第２の気液分離部２５０において分離された凝縮水は、冷却部２７２によって冷却され、圧力調整弁２７４によって圧力が調整されて、第２の凝縮水導入ライン２７０を通じて、上述した返送ライン１６０におけるポンプ１７０ｂと冷却部１６２との間に導入される。

本実施形態においては、第１の圧縮部２２０、第２の圧縮部２２２、第３の圧縮部２２４は、インペラの回転による遠心力で流体を圧縮する遠心式の圧縮機の圧縮室で構成される。以下、かかる圧縮機の具体的な構成について詳述する。

図２は、圧縮機４００の構成を説明するための説明図であり、圧縮機４００の構造を模式的に示す。図２に示すように、圧縮機４００は、回収ガスＸを圧縮する複数（ここでは３つ）の圧縮部２２０、２２２、２２４を備えており、これら圧縮部２２０、２２２、２２４に回収ガスＸを順次流通させることで、回収ガスの圧縮率を高める。

具体的には、圧縮機４００は、第１の圧縮部２２０を構成する圧縮室４１０と、第２の圧縮部２２２を構成する圧縮室４１２と、第３の圧縮部２２４を構成する圧縮室４１４とを備えている。圧縮室４１０は、回収ガスＸが流入する流入孔４１０ａが、上述した再生部１４０の本体１４２に連通する配管４１０ｂ（通過ライン２１０）に接続されており、回収ガスＸが流出する流出孔４１０ｃが、上述した第２の熱交換部３２０を構成する熱交換器３２０ａに連通する配管４１０ｄに接続されている。

また、圧縮室４１２は、回収ガスＸが流入する流入孔４１２ａが、配管４１２ｂを介して、熱交換器３２０ａと連通しており、回収ガスＸが流出する流出孔４１２ｃが、配管４１２ｄを介して、上述した第２の熱交換部３２０を構成する熱交換器３２０ｂと連通している。なお、熱交換器３２０ｂは、配管４１８ａを介して、第１の気液分離部２３０と連通している。

また、圧縮室４１４は、回収ガスＸが流入する流入孔４１４ａが、配管４１４ｂを介して、第１の気液分離部２３０と連通しており、回収ガスＸが流出する流出孔４１４ｃが、配管４１４ｄを介して、上述した第２の熱交換部３２０を構成する熱交換器３２０ｃと連通している。

したがって、圧縮室４１０には、再生部１４０から排出された回収ガスＸが流入する。圧縮室４１０で圧縮された回収ガスＸは、熱交換器３２０ａによって熱回収された後、圧縮室４１２に流入する。

圧縮室４１２で圧縮された回収ガスＸは、熱交換器３２０ｂによって熱回収され、第１の気液分離部２３０で凝縮水が分離された後、圧縮室４１４に流入する。圧縮室４１４で圧縮された回収ガスＸは、熱交換器３２０ｃによって熱回収された後、第１の熱交換部３１０に流入する。

このように、本実施形態においては、第１の圧縮部２２０、第２の圧縮部２２２、第３の圧縮部２２４は、１台の圧縮機４００によって構成されており、別個の圧縮機を複数設置する構成に比べ、圧縮機４００の導入コストを低減しつつ、圧縮機４００の設置のために占有する空間（設置空間）を縮小することができる。

また、各圧縮室４１０、４１２、４１４には、それぞれインペラ４２０、４２２、４２４が収容され、各インペラ４２０、４２２、４２４は、それぞれ異なるシャフト４３０、４３２、４３４の端部に固定されている。各シャフト４３０、４３２、４３４は、それぞれ、複数の軸受４３０ａ、４３２ａ、４３４ａによって回転自在に軸支されている。

そして、シャフト４３０にはギヤ４４０が固定され、シャフト４３２にはギヤ４４２が固定され、シャフト４３４にはギヤ４４４が固定されている。また、圧縮機４００には、モータ（電動機）４４８が設けられており、このモータ４４８の出力軸４５０に、ギヤ４４６が固定され、出力軸４５０は複数の軸受４５０ａによって回転自在に軸支されている。

このギヤ４４６は、ギヤ４４０およびギヤ４４４と歯合しており、モータ４４８の動力は、ギヤ４４６を介してギヤ４４０およびギヤ４４４に伝達される。また、ギヤ４４０は、ギヤ４４２とも歯合しており、モータ４４８の動力は、ギヤ４４６およびギヤ４４０を介してギヤ４４２に伝達される。なお、ギヤ４４２は、ギヤ４４０を介さず、直接、モータ４４８の出力軸４５０に固定されたギヤ４４６と歯合してもよい。

このように、ギヤ４４０、４４２、４４４、４４６は、モータ４４８の動力を変速してシャフト４３０、４３２、４４４に伝達する変速機構を構成している。すなわち、変速機構は、複数のシャフト４３０、４３２、４３４それぞれに対し回転数の相異なる回転動力を伝達する。変速機構によって、シャフト４３０、４３２、４３４および、インペラ４２０、４２２、４２４は、それぞれ異なる回転数で回転する。したがって、本実施形態の圧縮機４００は、所謂、ギアード式圧縮機で構成されることとなる。

図３は、圧縮容器４６４と、圧縮容器４６４および変速容器４６６の連結部４６８を説明するための説明図であり、圧縮容器４６４、変速容器４６６、および、その連結部４６８の断面の一部を抽出して示す。

図３に示すように、圧縮室４１４は、圧縮容器４６４で囲繞された空間である。換言すれば、圧縮容器４６４は、圧縮室４１４の外壁を形成するハウジングである。

また、変速容器４６６は、上述した変速機構を収容するハウジングであり、連結部４６８を介して圧縮容器４６４に連結される。

連結部４６８は、例えば管部材で構成され、圧縮容器４６４に設けられた連結孔４６４ａと、変速容器４６６に設けられた連結孔４６６ａとを連結する。シャフト４３４は、この連結孔４６４ａ、連結部４６８、および、連結孔４６６ａに挿通され、端部が圧縮容器４６４と変速容器４６６に収容された状態で、圧縮容器４６４、連結部４６８、および、変速容器４６６を跨いで配される。

ところで、リーン吸収液Ｌに含まれる吸収剤は、人体に対して有毒であるため、リーン吸収液Ｌが、圧縮容器４６４から変速容器４６６に流通すると、変速容器４６６外の作業空間に漏洩するリスクが高まる。

そこで、連結部４６８内には、圧縮容器４６４から変速容器４６６への回収ガスの漏洩を防止する一対のドライガスシール４８０ａ、４８０ｂが、シャフト４３４の軸方向に対向配置されており、シャフト４３４が、これらドライガスシール４８０ａ、４８０ｂに挿通されている。これにより、連結部４６８は、ドライガスシール４８０ａ、４８０ｂによって密閉されることとなる。

また、連結部４６８には、外側から内側に貫通する貫通孔４７４ａが設けられ、この貫通孔４７４ａを隙間なく閉塞した状態でノズル４７４ｂが嵌入している。ノズル４７４ｂは、上記の回収ライン２５４（図１参照）と連通しており、ノズル４７４ｂを介して、連結部４６８と、一対のドライガスシール４８０ａ、４８０ｂとで囲繞された空間４８２に、回収ライン２５４が連通する。

二酸化炭素回収装置１００の初動時においては、回収ライン２５４には回収ガスＸが流通していないため、例えば、他の供給源から二酸化炭素をノズル４７４ｂに供給する。そして、二酸化炭素回収装置１００が運転を開始した後、処理が安定化して回収ライン２５４に回収ガスＸが充満すると、空間４８２には、ノズル４７４ｂを介して、回収ライン２５４の回収ガスＸが比較的高圧で供給される。この回収ガスＸの成分は、上記のようにほとんど二酸化炭素である。

連結部４６８の内側の空間４８２に高圧の二酸化炭素を供給することで、ドライガスシール４８０ａを挟んだ圧縮室４１４に向かって二酸化炭素によるパージが行われる。回収ライン２５４に回収ガスＸが充満した後、ノズル４７４ｂは、常に開いた状態となり、常時パージされた状態となる。また、作業者の操作指示に応じて定期的に、任意の時間、ノズル４７４ｂを開くものとしてもよい。

このように、本実施形態の圧縮機４００は、回収ライン２５４に回収ガスＸが充満した後、他の動力を要さずに、空間４８２のパージを行うことができ、エネルギー消費を抑制することが可能となる。

ここでは、圧縮室４１４の外壁を形成する圧縮容器４６４と、圧縮容器４６４と変速容器４６６とを連結する連結部４６８について説明したが、圧縮機４００は、圧縮室４１４と同様に、圧縮室４１０、４１２の外壁を形成するハウジングである圧縮容器と、当該圧縮容器と変速容器４６６とを連結する連結部とを有する。連結部４６８と同様に、当該連結部内には、一対のドライガスシールが配され、連結部とドライガスシールとで囲繞された空間には、ノズルを介して回収ライン２５４の回収ガスＸが供給される。

図４は、圧縮機４００の設計計算の一例を説明するための説明図である。図４（ａ）は、ギアード式圧縮機（圧縮機４００）の設計計算の一例を示し、図４（ｂ）は、比較例である一軸多段式の圧縮機の設計計算の一例を示す。

一軸多段式の圧縮機は、変速機構を持たず、一つのシャフトに、複数のインペラが軸方向に連設されており、インペラを１つずつ収容する複数の圧縮室が配管で連通している。一軸多段式の圧縮機を二酸化炭素分離回収ユニット１１０に採用した場合、回収ガスは、シャフトの一端側の圧縮室から他端側の圧縮室まで、順次、流通することで、所望の圧力まで圧縮されることとなる。

しかし、一軸多段式の圧縮機は、一つのシャフトにすべてのインペラが固定されているため、各圧縮室におけるインペラの回転数は等しくせざるを得ない。そのため、モータ４４８の動力と圧縮室（インペラ）の段数が決まると（例えば、１０００ｋＷ）、各圧縮室における回収ガスの圧縮比（以下、段圧力比という）も、おおよそ上限値が決まってしまう。そのため、回収ガスを所望の圧力、例えば、上述したように、１３００ｋＰａ（Ａ）まで圧縮するには、圧縮室（インペラ）の段数を増やして対応しなければならない。図４（ｂ）に示す設計計算の例では、段数は９段にまで上る。

一方、ギアード式圧縮機である圧縮機４００は、上述したように変速機構を有するため、各インペラ４２０、４２２、４２４の回転数は、ギヤ比によって可変となる。

図４（ａ）に示す設計計算例では、１段目（図４（ａ）における段１）のインペラ４２０は、回転数とインペラ径で定まるインペラ周速が比較的大きくなるようにギヤ比を設定しており、圧縮室４１０において、比較的高い段圧力比で回収ガスが圧縮される。

そして、２段目（図４（ａ）における段２）のインペラ４２２、３段目（図４（ａ）における段３）のインペラ４２４と、後段になるにつれ回転数が上がるように設計する。回転数を上げることで、インペラ径を小さくしても十分な流量を確保しつつ、インペラ径を小さくすることで、段圧力比こそ低下するものの、高圧化した回収ガスをさらに圧縮する圧縮力を確保する。

このように、本実施形態の圧縮機４００は、変速機構によって、各インペラ４２０、４２２、４２４の回転数を異ならせることができるため、各圧縮室４１０、４１２、４１４の段圧力比の設計の自由度が高く、一軸多段式の圧縮機に比べて段数を低減することが可能となる。段数を低減することで、圧縮機４００は、さらなる導入コストの低減および設置空間の縮小が実現できる。

また、一軸多段式の圧縮機は、複数のインペラを軸方向に連設するため、各段（インペラ）の間の間隔を狭くすると、各段の間に配される熱交換器などの設置空間を十分に確保することが難しく、各段（インペラ）の間の間隔を広く取ると、段数が多いほど軸方向の大きさが過大となってしまう。

しかし、本実施形態の圧縮機４００は、図２に示すように、複数のシャフト４３０、４３２、４３４が軸方向に平行に配される。そのため、モータ４４８の出力軸４５０に固定されたギヤ４４６に、ギヤ４４０、４４２、４４４を、直接、または他のギヤを介して間接的に歯合させられればよく、インペラ４２０、４２２、４２４の配置の自由度が高いことから、設置空間を縮小し易い。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

また、上述した実施形態では、充填材１２２、１４４を、ステンレス鋼、炭素鋼等の鉄系金属材料で構成する場合を例に挙げて説明したが、リーン吸収液Ｌやリッチ吸収液Ｒの処理温度における耐久性や耐腐食性を有する材料であって、所望する接触面積を提供し得る形状のものを適宜選択してもよい。

また、上述した実施形態では、圧縮機４００が、３つの圧縮室４１０、４１２、４１４と、インペラ４２０、４２２、４２４を備える場合について説明したが、圧縮室およびインペラの数は、２つでも４つ以上であってもよい。

また、上述した実施形態では、各インペラ４２０、４２２、４２４は、それぞれ異なるシャフト４３０、４３２、４３４に固定される場合について説明したが、インペラが固定されるシャフトが２つ以上で、回転数が異なっていれば、１つのシャフトの両端に１つずつインペラが固定される構成であってもよい。

本発明は、燃焼に伴う排気ガス等の二酸化炭素を含有する混合ガスから二酸化炭素を分離して回収する二酸化炭素回収装置に利用することができる。

１００ …二酸化炭素回収装置
１２０ …吸収部
１４０ …再生部
２１０ …通過ライン
２５０ …第２の気液分離部（気液分離部）
３２０ …第２の熱交換部（熱交換部）
４００ …圧縮機
４１０、４１２、４１４ …圧縮室
３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃ …熱交換器（熱交換部）
４２０、４２２、４２４ …インペラ
４４０、４４２、４４４、４４６ …ギヤ（変速機構）
４６４ …圧縮容器
４６６ …変速容器
４６８ …連結部
４８０ａ、４８０ｂ …ドライガスシール
４８２ …空間

Claims (1)

1. 二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、該吸収液に二酸化炭素を吸収させ、二酸化炭素含有吸収液を生成する吸収部と、
   前記二酸化炭素含有吸収液を加熱し、当該二酸化炭素含有吸収液から二酸化炭素を放出させることで、該二酸化炭素含有吸収液を前記吸収液に再生する再生部と、
   前記再生部から排出された二酸化炭素および水蒸気を含有する回収ガスが通過する通過ラインと、
   前記通過ラインに設けられ、前記回収ガスを圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機における前記回収ガスの圧縮に伴って発生する熱を回収して前記再生部へ供給する複数の熱交換部と、
   前記通過ラインに設けられ、前記熱交換部によって熱が回収されることで凝縮した水を回収ガスから分離する気液分離部と、
   前記気液分離部によって水が分離された前記回収ガスが通過する回収ラインと、
   を備え、
   前記圧縮機は、
   複数のシャフトと、
   前記シャフトのいずれかの端部に固定された複数のインペラと、
   前記複数のインペラのいずれかが収容され、該インペラの回転によって前記回収ガスが圧縮される複数の圧縮室と、
   前記複数の圧縮室の外壁を形成する複数の圧縮容器と、
   前記複数のシャフトそれぞれに対し回転数の相異なる回転動力を伝達する変速機構と、
   前記複数の圧縮容器と連結され、前記変速機構を収容する変速容器と、
   前記複数の圧縮容器それぞれと前記変速容器とを連結し、端部を該圧縮容器と該変速容器に収容された前記シャフトが挿通される複数の連結部と、
   前記シャフトが挿通され、前記連結部の内部において前記シャフトの軸方向に対向配置されて、前記圧縮容器から前記変速容器への前記回収ガスの漏洩を防止する一対のドライガスシールと、
   を有し、
   前記回収ガスが前記複数の圧縮室を順次流通することで、該回収ガスの圧縮率が高められる遠心式の圧縮機であって、
   前記熱交換部は、前記複数の圧縮室それぞれの後段に配され、
   前記回収ラインは、前記連結部と、前記一対のドライガスシールとで囲繞された空間に連通していることを特徴とする二酸化炭素回収装置。

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