JP7263882B2

JP7263882B2 - 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

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Inventors: 和人小笠原; 征治山本
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Description

本発明は、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に関する。

従来から、吸着材を用いて、複数のガスが混合されている混合ガスから特定のガスを回収するガス回収装置が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２）。また、二酸化炭素が吸着している吸着材を収容している回収器の内部に、パージガスを噴射することで、二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置が知られている。

特開２００７－２６１８２４号公報特開平３－１２２１２号公報

二酸化炭素回収装置では、吸着材から脱離した二酸化炭素は、パージガスとともに回収器から排出される。しかしながら、この回収器から排出される二酸化炭素とパージガスとの混合ガスの組成は、吸着材に吸着されている二酸化炭素の絶対量によって変動する。このため、吸着材から二酸化炭素を脱離させる脱離工程において、脱離工程を開始した直後と、脱離工程を終了する直前とでは、その組成が大きく異なり、組成変動が大きくなる課題があった。

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、回収器から取り出される二酸化炭素とパージガスとの混合ガスの組成変動を抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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することが可能である。

（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回収器と、二酸化炭素を含む排ガスを前記回収器に供給する排ガス供給部と、前記回収器の内部においてパージガスを噴射するパージガス噴射部と、前記回収器の内部を減圧する減圧ポンプと、前記回収器への前記排ガスの供給と、前記パージガスの噴射と、前記回収器内部の減圧とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記回収器に前記排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、前記パージガスを噴射するとともに、少なくとも一部の期間において前記回収器内部を減圧することによって、前記吸着材に吸着している二酸化炭素を前記回収器内部から取り出す脱離工程と、を実行可能であり、前記脱離工程では、前記脱離工程の開始時または途中から前記脱離工程の終了時まで、前記回収器内部を減圧し、前記回収器内部の減圧中において、途中から前記パージガスの噴射量を相対的に減少させる。

この構成によれば、制御部は、脱離工程において、一定期間、減圧ポンプで回収器内部を減圧しつつパージガスを噴射した後、回収器内部を減圧したままパージガスの噴射量を相対的に減少させる。これにより、脱離工程の終盤において二酸化炭素の脱離量が減少することで、パージガスに対する二酸化炭素の濃度が低下することを、抑制することができる。したがって、回収器から取り出される二酸化炭素とパージガスとの混合ガスの組成変動を抑制することができる。

（２）上記形態の二酸化炭素回収装置において、前記制御部は、前記脱離工程の途中から、前記回収器内部を減圧し、前記回収器内部を減圧する前に、前記パージガスを噴射させてもよい。この構成によれば、制御部は、脱離工程において回収器内部を減圧する前に、パージガスの噴射によって二酸化炭素を回収器内部から取り出す。これにより、減圧ポンプによる減圧を利用することなく二酸化炭素を回収器内部から取り出すことができるため、減圧ポンプを駆動するエネルギーが節約され、二酸化炭素の回収で消費されるエネルギーの量を低減することができる。

（３）上記形態の二酸化炭素回収装置は、さらに、前記パージガス噴射部から噴射される前の前記パージガスを加熱する加熱部を備え、前記制御部は、前記回収器内に噴射する前記パージガスを加熱するか否かを制御し、前記脱離工程では、途中から前記パージガスの噴射量を相対的に減少させたときには、加熱された前記パージガスを噴射させてもよい。この構成によれば、二酸化炭素の脱離量が減少する吸着工程の終盤において、制御部は、加熱部によってパージガスを加熱し、加熱されたパージガスを回収器内部に噴射することで吸着材を直接温め、吸着材からの二酸化炭素の脱離を促進する。これにより、パージガスの噴射量が減少することで減少する二酸化炭素の脱離量を補うことができる。したがって、吸着工程の終盤においてパージガスに対する二酸化炭素の濃度が低下することをさらに抑制し、回収器から取り出される混合ガスの組成変動をさらに抑制することができる。

（４）上記形態の二酸化炭素回収装置において、前記加熱部は、前記パージガスが流れる流路の一部であり、前記吸着材を昇温する熱媒体との熱交換によって前記パージガスを加熱してもよい。この構成によれば、パージガスは、吸着材を昇温する熱媒体によって加熱される。これにより、パージガスを加熱するエネルギーが節約され、二酸化炭素の回収で消費されるエネルギーの量を低減することができる。

（５）上記形態の二酸化炭素回収装置は、さらに、前記回収器から排出される二酸化炭素とパージガスとの混合ガスの二酸化炭素濃度を推定する濃度推定部を備え、前記制御部は、推定された二酸化炭素濃度を用いて、前記脱離工程において前記回収器の内部に噴射される前記パージガスの温度を制御してもよい。この構成によれば、制御部は、混合ガスの二酸化炭素の推定濃度を用いて、パージガスの温度を制御する。これにより、吸着材を温めることができるパージガスの温度の調整によって、パージガスの噴射量の変動による二酸化炭素の脱離量の変動を高精度に抑制することができる。したがって、混合ガスの組成変動を小さくすることができる。

（６）本発明の別の形態によれば、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、炭化水素生成部は、パージガスである水素に対する二酸化炭素の濃度が比較的安定している二酸化炭素と、水素との混合ガスを用いて、炭化水素化合物を生成することができる。これにより、炭化水素化合物の生成量を安定させることができる。

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、二酸化炭素回収装置の制御方法、炭化水素製造装置の制御方法、これらの制御方法をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム、二酸化炭素回収装置の製造方法、炭化水素製造装置の製造方法、二酸化炭素循環システム、炭化水素化合物を燃料とする燃料製造装置などの形態で実現することができる。

第１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１実施形態の二酸化炭素回収処理のフローチャートである。比較例の混合ガスの二酸化炭素濃度の時間変化を示す説明図である。第１実施形態の混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂の時間変化を示す説明図である。サージタンクの混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂の時間変化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の概略構成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１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。

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ＣＯ₂を回収する。二酸化炭素回収装置１は、複数の回収器１１、１２、１３、１４と、排ガス流路２０と、オフガス流路２５と、パージガス流路３０と、混合ガス流路３５と、サージタンク４０と、減圧ポンプ４５と、ＣＯ₂濃度計５０と、制御部５５とを備える。

複数の回収器１１、１２、１３、１４は、筒状に形成され、それぞれの内部に吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａが収容されている。吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａは、ＣＯ₂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。回収器１１、１２、１３、１４のそれぞれには、排ガス流路２０と、オフガス流路２５と、パージガス流路３０と、混合ガス流路３５が接続されている。複数の回収器１１、１２、１３、１４のそれぞれには、図示しない熱媒体流路が形成されている。それぞれの熱媒体流路には、吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａの温度を調整可能な熱媒体（図１の点線矢印Ｆ１、Ｆ２）が流れる。

排ガス流路２０は、燃焼炉や内燃機関などの、ＣＯ₂を含む排ガスを排出する外部の排ガス供給装置に接続しており、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、２４を介して、回収器１１、１２、１３、１４に供給される。排ガス分流路２１、２２、２３、２４には、排ガス入口弁２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａが設けられている。排ガス入口弁２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａのそれぞれは、後述する制御部５５の指令に応じて、回収器１１、１２、１３、１４の内部への排ガスの供給を制御する。

オフガス流路２５は、図１に示すように、回収器１１、１２、１３、１４のそれぞれに接続されている。オフガス流路２５は、排ガス流路２０によって回収器１１、１２、１３、１４に供給された排ガスのうち吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａに吸着されなかったオフガスを、二酸化炭素回収装置１の外部に排出する。オフガス流路２５は、回収器１１、１２、１３、１４を挟んで、排ガス分流路２１、２２、２３、２４とは反対側において、回収器１１、１２、１３、１４のそれぞれに接続するオフガス分流路２６、２７、２８、２９を有している。オフガス分流路２６、２７、２８、２９には、オフガス出口弁２６ａ、２７ａ、２８ａ、２９ａが設けられている。オフガス出口弁２６ａ、２７ａ、２８ａ、２９ａのそれぞれは、制御部５５の指令に応じて、回収器１１、１２、１３、１４からのオフガスの流れを制御する。

パージガス流路３０は、回収器１１、１２、１３、１４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。パージガス流路３０は、パージガス供給部が供給するパージガスを、回収器１１、１２、１３、１４の内部において噴射する。本実施形態では、パージガスとしては、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Ｈ₂を用いる。パージガス流路３０には、制御部５５の指令に応じて、パージガス流路３０を流れるＨ₂の流量を調整する流量制御器３０ａが設けられている。パージガス流路２０を流れるＨ₂は、パージガス分流路３１、３２、３３、３４を介して、回収器１１、１２、１３、１４に供給される。パージガス分流路３１、３２、３３、３４には、パージガス入口弁３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａが設けられている。パージガス入口弁３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａのそれぞれは、制御部４５の指令に応じて、回収器１１、１２、１３、１４の内部へのＨ₂の流れを制御する。

混合ガス流路３５は、図１に示すように、回収器１１、１２、１３、１４のそれぞれに接続されている。混合ガス流路３５には、パージガス流路３０によって回収器１１、１２、１３、１４に供給されたＨ₂と、吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａから脱離したＣＯ₂とが混合された混合ガスが流れる。混合ガス流路３５は、回収器１１、１２、１３、１４を挟んで、パージガス分流路３１、３２、３３、３４とは反対側において、回収器１１、１２、１３、１４のそれぞれに接続する混合ガス分流路３６、３７、３８、３９を有している。混合ガス分流路３６、３７、３８、３９には、混合ガス出口弁３６ａ、３７ａ、３８ａ、３９ａが設けられている。混合ガス出口弁３６ａ、３７ａ、３８ａ、３９ａのそれぞれは、制御部５５の指令に応じて、回収器１１、１２、１３、１４からの混合ガスの流れを制御する。

サージタンク４０は、混合ガス流路３５に設けられている。サージタンク４０は、混合ガス流路３５を流れる混合ガスを一時的に貯蔵する。サージタンク４０に貯蔵された混合ガスは、メタン生成部８に送られる。

減圧ポンプ４５は、回収器１１、１２、１３、１４とサージタンク４０との間の混合ガス流路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、混合ガス流路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、混合ガス流路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、回収器１１、１２、１３、１４の内部を減圧する。

ＣＯ₂濃度計５０は、混合ガス流路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。ＣＯ₂濃度計５０は、混合ガス流路３５を流れる混合ガスのＣＯ₂濃度を検出する。ＣＯ₂濃度計５０は、検出したＣＯ₂濃度を制御部５５に出力する。

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ＣＯ₂回収処理における回収器１１、１２、１３、１４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。制御部５５の制御内容の詳細は、後述する。

メタン生成部８は、混合ガス流路３５の回収器１１、１２、１３、１４に接続する側とは反対側の端部に設けられている。メタン生成部８は、サージタンク４０が供給するＣＯ₂とＨ₂との混合ガスを用いて、ＣＨ₄を生成する。生成されたＣＨ₄は、メタン製造装置５の外部の装置に供給される。

次に、二酸化炭素回収装置１における二酸化炭素回収処理について説明する。二酸化炭素回収装置１では、４つの回収器１１、１２、１３、１４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ＣＯ₂を回収する。

図２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フローチャートである。二酸化炭素回収装置１では、４つの回収器１１、１２、１３、１４のそれぞれが、図２に示す二酸化炭素回収処理を繰り返し行う。ここでは、最初に、１つの回収器、例えば、回収器１１に着目して、図２に示す二酸化炭素処理のフローを説明する。

吸着工程（ステップＳ１）では、回収器１１に、排ガス流路２０を用いて、排ガスを供給する。具体的には、制御部５５は、排ガス入口弁２１ａとオフガス出口弁２６ａを開くとともに、パージガス入口弁３１ａと混合ガス出口弁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、回収器１１に供給される。回収器１１では、排ガスに含まれるＣＯ₂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、オフガス分流路２６を介してオフガス流路２５を流れ、二酸化炭素回収装置１の外部、例えば、大気に放出される。

次の予熱工程（ステップＳ２）では、回収器１１に、高温の熱媒体を供給し、吸着材１１ａを昇温する。これにより、吸着材１１ａにトラップされているＣＯ₂が吸着材１１ａから脱離しやすくする。

次の脱離工程（ステップＳ３）は、３つの小工程から構成されている。１つ目のステップである第１脱離工程（ステップＳ３１）では、回収器１１においてパージガスとしてのＨ₂を噴射することで、吸着材１１ａにトラップされているＣＯ₂を脱離させる。具体的には、制御部５５は、排ガス入口弁２１ａとオフガス出口弁２６ａを閉じるとともに、パージガス入口弁３１ａと混合ガス出口弁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３０を流れるＨ₂は、パージガス分流路３１を介して、回収器１１に供給される。回収器１１にＨ₂が供給されると、回収器１１内部のＣＯ₂の分圧が低下するため、吸着材１１ａに吸着されているＣＯ₂が吸着材１１ａから脱離する。吸着材１１ａから脱離したＣＯ₂は、回収器１１内部においてＨ₂と混合される。回収器１１内部のＣＯ₂とＨ₂との混合ガスは、回収器１１内部から取り出され、混合ガス分流路３６を介して混合ガス流路３５を流れる。第１脱離工程では、切換弁４７は閉じられている一方、切換弁４８は開かれているため、混合ガスは、そのまま混合ガス流路３５を流れ、サージタンク４０に貯蔵される。

脱離工程における２つ目のステップである第２脱離工程（ステップＳ３２）では、回収器１１の内部においてＨ₂を噴射しながら、減圧ポンプ４５によって回収器１１の内部を減圧する。具体的には、制御部５５は、回収器１１の内部においてＨ₂を噴射させながら、切換弁４７を開くとともに、切換弁４８を閉じ、減圧ポンプ４５を駆動する。これにより、回収器１１の内部は、Ｈ₂が流れている状態で減圧される。減圧ポンプ４５によって回収器１１から取り出されるＣＯ₂とＨ₂との混合ガスは、混合ガス流路３５から一旦減圧流路４６を通って再び混合ガス流路３５を流れ、サージタンク４０に貯蔵される。

脱離工程における３つ目のステップである第３脱離工程（ステップＳ３３）では、回収器１１の内部を減圧しながら、回収器１１におけるＨ₂の噴射量を減少させる。具体的には、制御部５５は、減圧ポンプ４５を駆動したまま、パージガス流路３０の流量制御器３０ａを制御して、パージガス流路３０を流れるＨ₂の流量を減少させる。これにより、回収器１１の内部では、Ｈ₂の分圧が低下する。このとき、切換弁４７は開いたままで、切換弁４８を閉じたままであり、減圧ポンプ４５は駆動しているため、回収器１１内部の混合ガスは、混合ガス流路３５から一旦減圧流路４６を通って再び混合ガス流路３５を流れ、サージタンク４０に貯蔵される。

本実施形態では、第１脱離工程から第２脱離工程への切り替えのタイミング、および、第２脱離工程から第３脱離工程への切り替えのタイミングは、ＣＯ₂濃度計５０によって検出される混合ガス流路３５を流れる混合ガスのＣＯ₂濃度に用いて決定される。具体的には、制御部５５は、例えば、ＣＯ₂濃度計５０によって検出される混合ガスのＣＯ₂濃度の時間変化が負となっており、かつ、Ｈ₂／ＣＯ₂が閾値より大きくなるとき、切換弁４７を開くとともに、切換弁４８を閉じ、減圧ポンプ４５を駆動する。Ｈ₂／ＣＯ₂の閾値としては、ＣＯ₂濃度計５０の応答速度によって異なるが、今回の二酸化炭素回収処理より以前に行った二酸化炭素回収処理での混合ガスのＣＯ₂濃度の平均値を目安に設定してもよいし、事前に設定されていてもよい。

次の冷却工程（ステップＳ４）では、例えば、常温の熱媒体を回収器１１の熱媒体流路に供給し、吸着材１１ａを冷却する。これにより、吸着材１１ａは、ＣＯ₂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４つの工程（吸着工程、予熱工程、脱離工程、および、冷却工程）が、４つの回収器１１、１２、１３、１４のいずれかにおいて行われる。例えば、回収器１１において吸着工程が実行されているとき、回収器１２において予熱工程が実行され、回収器１３において脱離工程が実行され、回収器１４において冷却工程が実行されている。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、いずれかの回収器において排ガスのＣＯ₂を吸着するととも、他のいずれかの回収器において吸着したＣＯ₂を脱離する。これにより、定常的に、混合ガスを供給することが可能である。

図３は、比較例の混合ガスのＣＯ₂濃度の時間変化を示す説明図である。図３は、回収器出口、すなわち、本実施形態では、各回収器１１、１２、１３、１４の混合ガス分流路３６、３７、３８、３９に相当する位置でのＣＯ₂濃度の時間変化を示している。ここで、比較例の二酸化炭素回収処理とは、パージガスの流量を一定としたままで、脱離工程を行う二酸化炭素回収処理を指す。図３に示すように、脱離工程を開始した時刻ｔ０直後から、ＣＯ₂濃度は急激に上昇するが、時刻ｔ１を経過すると、吸着材に吸着されているＣＯ₂の絶対量が少なくなるため、ＣＯ₂の脱離量が少なくなり、ＣＯ₂濃度は減少する。このため、比較例の二酸化炭素回収処理では、脱離工程の序盤と終盤とでＣＯ₂の濃度が大きく変化する。すなわち、脱離工程中のＣＯ₂濃度の変動が比較的大きくなる。

図４は、第１実施形態の混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂の時間変化を示す説明図である。図４は、各回収器１１、１２、１３、１４の混合ガス分流路３６、３７、３８、３９でのＨ₂／ＣＯ₂の時間変化を示している。図４には、Ｈ₂の流量を減少させる制御を行っていないとき、すなわち、本実施形態の第３脱離工程を行っていない場合のＨ₂／ＣＯ₂の時間変化を点線Ｌ１で示し、第３脱離工程を行った場合のＨ₂／ＣＯ₂の時間変化を実線Ｌ２で示す。また、図４には、実線Ｌ２に対応する時間帯として、上述した脱離工程のうち、第１脱離工程が行われている時間帯を時間帯Ａで示し、第２脱離工程が行われている時間帯を時間帯Ｂで示し、第３脱離工程が行われている時間帯を時間帯Ｃで示す。

図４の点線Ｌ１に示すように、パージのみでＣＯ₂を吸着材から脱離させる時間帯Ａから、パージに減圧を加えてＣＯ₂を吸着材から脱離させる時間帯Ｂに移行することによって、Ｈ₂／ＣＯ₂は、ほとんどの時間帯で閾値以下を維持する。しかしながら、第２脱離工程をそのまま進めていくと、ＣＯ₂の脱離量が減少するため、Ｈ₂／ＣＯ₂は、閾値を大幅に超えてしまう（例えば、図４の時間帯Ｃでの点線Ｌ１）。

一方、本実施形態では、Ｈ₂／ＣＯ₂が閾値を超えたタイミングで、第３脱離工程に移行することによって、Ｈ₂の流量が減少する。これにより、ＣＯ₂の脱離量が減少しても、Ｈ₂／ＣＯ₂は、閾値を大きく超えることはないため、混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂が安定した値となる（図４の実線Ｌ２）。

図５は、サージタンク４０が排出する混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂の時間変化を示す説明図である。図５には、Ｈ₂の流量を減少させる制御を行っていないときのＨ₂／ＣＯ₂の時間変化を点線Ｌ３で示し、Ｈ₂の流量を減少させる制御を行ったときのＨ₂／ＣＯ₂の時間変化を実線Ｌ４で示す。すなわち、点線Ｌ３が、図４の点線Ｌ１に対応し、実線Ｌ４が、図４の実線Ｌ２に対応する。なお、図５に示す時間帯Ａ、Ｂ、Ｃは、図４に示す時間帯Ａ、Ｂ、Ｃと同じ時間帯を示す。

図４と図５とを比較すると、Ｈ₂／ＣＯ₂の変動幅は、サージタンク４０を設けることによって、点線Ｌ３と実線Ｌ４とはともに小さくなることがわかる。しかしながら、Ｈ₂の流量を減少させる制御を行っていない場合、図５の点線Ｌ３に示すように、サージタンク４０を介しても、メタン生成部８に供給される混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂は、脱離工程の終盤において、閾値を超える。このことから、Ｈ₂の流量を減少させる制御を行っていない場合、Ｈ₂に対するＣＯ₂の濃度が安定した混合ガスをメタン生成部８に供給することは難しい。

一方、Ｈ₂の流量を減少させる制御を行った場合、図５の実線Ｌ４に示すように、脱離工程の終盤においても、Ｈ₂／ＣＯ₂の変動幅は、小さくなる。これにより、Ｈ₂の流量を減少させる制御を行った場合、Ｈ₂に対するＣＯ₂の濃度が安定した混合ガスをメタン生成部８に供給することが可能となる。

従来から、物理吸着によって吸着材にトラップされているＣＯ₂を吸着材から脱離する場合、吸着材にトラップされているＣＯ₂の量が多いほど脱離し易い傾向があることが知られている。このため、吸着材からＣＯ₂を脱離させる脱離工程において、パージガスによってＣＯ₂を脱離させると、脱離工程のうち脱離を開始した時間から時間が経過するにしたがって、ＣＯ₂の脱離量は少なくなり、ＣＯ₂濃度は時間の経過とともに低下する。

以上説明した、第１実施形態の二酸化炭素回収装置１によれば、制御部５５は、脱離工程において、一定期間、減圧ポンプ４５で回収器１１、１２、１３、１４の内部を減圧しつつパージガスであるＨ₂を噴射した後、Ｈ₂の噴射量を相対的に減少する。これにより、脱離工程の終盤において、ＣＯ₂の脱離量が減少することでＨ₂に対するＣＯ₂の濃度が低下することを、抑制することができる。したがって、回収器１１、１２、１３、１４から取り出される混合ガスの組成変動を抑制することができる。

また、本実施形態の二酸化炭素回収装置１によれば、制御部５５は、第１脱離工程においてＨ₂を噴射することで吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａからＣＯ₂を脱離させたのち、第２脱離工程においてＨ₂を噴射させながら、減圧ポンプ４５によって回収器１１、１２、１３、１４の内部を減圧させる。これにより、制御部５５は、脱離工程において回収器１１、１２、１３、１４の内部を減圧する前に、Ｈ₂の噴射によってＣＯ₂を回収器１１、１２、１３、１４の内部から取り出す。これにより、減圧ポンプ４５による減圧を利用することなくＣＯ₂を回収器１１、１２、１３、１４の内部から取り出すため、ＣＯ₂の回収のために消費されるエネルギーの量を低減することができる。

従来から、吸着材にトラップされているＣＯ₂と、パージガスとしてのＨ₂との混合ガスを用いてＣＨ₄を生成する場合、吸着材の後段に位置するメタン生成部でのＣＨ₄の生成反応においては、反応に最適なＨ₂／ＣＯ₂が知られている。具体的には、Ｈ₂濃度が８０％を超過すると、メタンの生成反応後に余剰のＨ₂が残るため、Ｈ₂の利用効率が低下する。また、Ｈ₂濃度が８０％を下回ると、ＣＨ₄の生成反応の反応率が低下する。このことから、メタン生成部でＣＨ₄を安定して生成するためには、メタン生成部に、組成変動が少ないＣＯ₂とＨ₂との混合ガスが供給される必要がある。本実施形態のメタン製造装置５によれば、メタン生成部８は、二酸化炭素回収装置１が供給するＣＯ₂とＨ₂との混合ガスを用いてＣＨ₄を生成することができる。これにより、メタン製造装置５は、メタンの生成量を安定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２の概略構成を示した説明図である。本実施形態の二酸化炭素回収装置２は、回収器の構成およびパージガス流路の構成が第１実施形態と異なる。

第２実施形態の二酸化炭素回収装置２が備える回収器１１は、図６に示すように、三重管構造をなしている。回収器１１には、内側から、充填空間１１ｂと、熱媒体流路１１ｃと、パージガス加熱流路１１ｄが形成されている。充填空間１１ｂと熱媒体流路１１ｃは、内側壁１１ｅによって区画されている。充填空間１１ｂには、吸着材１１ａが充填されている。熱媒体流路１１ｃには、吸着材１１ａの温度を調整する熱媒体が流れる（図６の点線矢印Ｆ１、Ｆ２）。熱媒体流路１１ｃとパージガス加熱流路１１ｄは、中間壁１１ｆによって区画されている。パージガス加熱流路１１ｄは、中間壁１１ｆと外側壁１１ｇによって、パージガスが流通可能に形成されている。ここでは、回収器１１の構成を説明したが、他の回収器１２、１３、１４についても同様の構成となっている。

パージガス流路３０には、パージガス流路３０を流れるＨ₂をパージガス加熱流路１１ｄに導入する加熱用流路３０ｂが設けられている。加熱用流路３０ｂには、制御部５５の指令に応じて、加熱用流路３０ｂでのＨ₂の流れを制御する切換弁３０ｃが設けられている。また、パージガス流路３０の、加熱用流路３０ｂが接続する間には、制御部５５の指令に応じて、パージガス流路３０のＨ₂の流れを制御する切換弁３０ｄが設けられている。ここでは、回収器１１に接続するパージガス流路３０の構成を説明したが、他の回収器１２、１３、１４についても同様の構成となっている。

次に、二酸化炭素回収装置２における二酸化炭素回収処理について説明する。第１実施形態と同様に、吸着工程および予熱工程を実行した後、脱離工程において、第１脱離工程と第２脱離工程とを実行する。

第２脱離工程のあとの第３脱離工程において、回収器１１の内部を減圧しながら、回収器１１に供給するＨ₂の流量を減少させる。このとき、制御部５５は、切換弁３０ｃを開くとともに、切換弁３０ｄを閉じる。これにより、パージガス流路３０を流れるＨ₂は、加熱用流路３０ｂを通って、パージガス加熱流路１１ｄに流入する。パージガス加熱流路１１ｄでは、熱媒体流路１１ｃを流れる比較低高温の熱媒体によって、Ｈ₂が加熱される。加熱されたＨ₂は、パージガス流路３０に戻り、パージガス分流路３１を通って、充填空間１１ｂに流入する。充填空間１１ｂでは、加熱されたＨ₂が吸着材１１ａを加熱するため、ＣＯ₂が脱離しやすくなる。

また、第３脱離工程では、制御部５５は、ＣＯ₂濃度計５０が検出した混合ガスのＣＯ₂濃度を用いて、回収器１１において噴射するＨ₂の温度を制御する。具体的には、制御部５５は、ＣＯ₂濃度計５０が検出した混合ガスのＣＯ₂濃度を用いて、例えば、ＣＯ₂の脱離量の将来的な変化を推定する。制御部５５は、推定したＣＯ₂の脱離量の将来的な変化を用いて、ＣＯ₂の脱離量が目標とする脱離量とならないことが予想されるとき、パージガス加熱流路１１ｄを流れるＨ₂の流量を増やし、Ｈ₂をさらに加熱する。これにより、吸着材１１ａはさらに加熱されるため、ＣＯ₂はさらに脱離しやすくなる。二酸化炭素回収装置２における二酸化炭素回収処理では、第３脱離工程の後、冷却工程を実行する。

以上説明した、第２実施形態の二酸化炭素回収装置によれば、制御部５５は、第３脱離工程において、Ｈ₂の噴射量を相対的に減少させるとき、加熱したＨ₂を噴射する。これにより、ＣＯ₂の脱離量が減少する脱離工程の終盤において、加熱されたＨ₂によって吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａを直接温め、吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａからのＣＯ₂の脱離を促進する。これにより、Ｈ₂の噴射量が減少することによって減少するＣＯ₂の脱離量を補うことができる。したがって、ＣＯ₂の脱離量が減少することによってＨ₂に対するＣＯ₂の濃度が低下することをさらに抑制し、混合ガスの組成変動をさらに抑制することができる。

また、本実施形態の二酸化炭素回収装置２によれば、Ｈ₂は、吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａを昇温する熱媒体との熱交換によって加熱される。これにより、Ｈ₂を加熱するエネルギーが節約され、ＣＯ₂の回収で消費されるエネルギーの量を低減することができる。

また、本実施形態の二酸化炭素回収装置２によれば、制御部５５は、ＣＯ₂濃度計５０が検出した混合ガスのＣＯ₂濃度を用いて、回収器１１において噴射されるＨ₂の温度を制御する。これにより、吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａを温めることができるＨ₂の温度の調整によって、Ｈ₂の噴射量の変動によるＣＯ₂の脱離量の変動分を高精度に抑制することができる。したがって、混合ガスの組成変動を小さくすることができる。

＜本実施形態の変形例＞
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。

［変形例１］
上述の実施形態では、「炭化水素製造装置」としてのメタン製造装置は、「炭化水素化合物」としてのＣＨ₄を製造するとした。しかしながら、炭化水素製造装置が製造する炭化水素化合物は、ＣＨ₄だけでなく、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含んでもよい。

［変形例２］
上述の実施形態では、脱離工程は、Ｈ₂によるパージのみＣＯ₂を脱離させる第１脱離工程と、Ｈ₂によるパージと減圧との併用によってＣＯ₂を脱離させる第２脱離工程と、減圧しつつ流量を減少させるＨ₂によるパージによってＣＯ₂を脱離させる第３脱離工程を備えるとした。しかしながら、脱離工程の構成はこれに限定されない。第１脱離工程はなくてもよい。

［変形例３］
上述の実施形態では、混合ガスのＣＯ₂濃度を用いて、第１脱離工程から第２脱離工程への切り替えのタイミング、および、第２脱離工程から第３脱離工程への切り替えのタイミングを決定するとした。しかしながら、これらの工程の切り替えのタイミングを決定する方法は、これに限定されない。ＣＯ₂濃度計５０によって検出される混合ガスのＣＯ₂濃度からＣＯ₂濃度の変動を推定し、その推定結果から切り替えのタイミングを決定してもよい。また、切り替えのタイミングを決定する方法は、混合ガスの流量やサージタンク４０内の圧力などＣＯ₂の脱離量を推定することができる方法であればよい。

［変形例４］
上述の実施形態では、混合ガス流路にサージタンクを設けるとした。しかしながら、サージタンクはなくてもよい。サージタンクがある場合、上述したように、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。

［変形例５］
上述の実施形態では、ＣＯ₂濃度計５０は、混合ガス流路３５において、減圧流路４６が接続する部位より上流側の部位に設けられるとした。しかしながら、ＣＯ₂濃度計を設ける場所はこれに限定されない。混合ガス流路において、バッファータンクの下流側に設けられてもよい。これにより、バッファータンクからメタン生成部に供給される混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂に基づいて、脱離工程でのポンプの駆動やＨ₂の流量を制御できるため、制御性を向上することができる。

［変形例６］
第１実施形態では、混合ガスのＣＯ₂濃度を用いて、第１脱離工程から第２脱離工程への切り替えのタイミング、および、第２脱離工程から第３脱離工程への切り替えのタイミングを決定するとした。しかしながら、混合ガスのＣＯ₂濃度を用いて決定する制御の内容は、これに限定されない。混合ガスのＣＯ₂濃度を用いて、第３脱離工程におけるＨ₂の流量を制御してもよい。

［変形例７］
第２実施形態では、パージガスであるＨ₂は、吸着材１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａの温度を調整可能な熱媒体との熱交換によって加熱されるとした。しかしながら、Ｈ₂の加熱の方法は、これに限定されない。

［変形例８］
第２実施形態では、回収器は、三重管構造であるとした。しかしながら、回収器の構造はこれに限定されない。吸着材の温度を調整可能な熱媒体をもちいて、パージガスが加熱されればよい。

［変形例９］
上述の実施形態では、パージガスは、Ｈ₂であるとした。しかしながら、パージガスは、Ｈ₂に限定されない。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、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、改良され得るとともに、本態様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。

１、２…二酸化炭素回収装置
１１、１２、１３、１４…回収器
１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ…吸着材
１１ｂ…充填空間
１１ｃ…熱媒体流路
１１ｄ…パージガス加熱流路
１１ｅ…内側壁
１１ｆ…中間壁
１１ｇ…外側壁
２０…排ガス流路
２１、２２、２３、２４…排ガス分流路
２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ…排ガス入口弁
２５…オフガス流路
２６、２７、２８、２９…オフガス分流路
２６ａ、２７ａ、２８ａ、２９ａ…オフガス出口弁
３０…パージガス流路
３０ａ…流量制御器
３０ｂ…加熱用流路
３０ｃ、３０ｄ、４７、４８…切換弁
３１、３２、３３、３４…パージガス分流路
３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ…パージガス入口弁
３５…混合ガス流路
３６、３７、３８、３９…混合ガス分流路
３６ａ、３７ａ、３８ａ、３９ａ…混合ガス出口弁
４０…サージタンク
４５…減圧ポンプ
４６…減圧流路
５０…ＣＯ₂濃度計
５５…制御部

Claims

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回収器と、
二酸化炭素を含む排ガスを前記回収器に供給する排ガス供給部と、
前記回収器の内部においてパージガスを噴射するパージガス噴射部と、
前記回収器の内部を減圧する減圧ポンプと、
前記回収器から排出される二酸化炭素とパージガスとの混合ガスの二酸化炭素濃度を推定する濃度推定部と、
前記濃度推定部が推定する前記混合ガス中の二酸化炭素濃度を用いて、前記回収器への前記排ガスの供給と、前記パージガスの噴射と、前記回収器内部の減圧とを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記回収器に前記排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、前記パージガスを噴射するとともに、少なくとも一部の期間において前記回収器内部を減圧することによって、前記吸着材に吸着している二酸化炭素を前記回収器内部から取り出す脱離工程と、を実行可能であり、
前記脱離工程では、
前記脱離工程の開始時、または、前記脱離工程が開始された後であって、前記濃度推定部が推定する前記混合ガス中の二酸化炭素濃度に基づく第１のタイミングから前記脱離工程の終了時まで、前記回収器内部を減圧し、
前記回収器内部の減圧中において、前記第１のタイミングの後であって、前記濃度推定部が推定する前記混合ガス中の二酸化炭素濃度に基づく第２のタイミングから前記パージガスの噴射量を相対的に減少させる、
二酸化炭素回収装置。
請求項１に記載の二酸化炭素回収装置であって、
前記制御部は、
前記脱離工程の前記第１のタイミングから、前記回収器内部を減圧し、
前記回収器内部を減圧する前に、前記パージガスを噴射させる、
二酸化炭素回収装置。
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、
前記パージガス噴射部から噴射される前の前記パージガスを加熱する加熱部を備え、
前記制御部は、
前記回収器内に噴射する前記パージガスを加熱するか否かを制御し、
前記脱離工程では、前記第２のタイミングから前記パージガスの噴射量を相対的に減少させたときには、加熱された前記パージガスを噴射させる、
二酸化炭素回収装置。
請求項３に記載の二酸化炭素回収装置であって、
前記加熱部は、
前記パージガスが流れる流路の一部であり、
前記吸着材を昇温する熱媒体との熱交換によって前記パージガスを加熱する、
二酸化炭素回収装置。
請求項３または請求項４に記載の二酸化炭素回収装置であって、
前記制御部は、推定された二酸化炭素濃度を用いて、前記脱離工程において前記回収器の内部に噴射される前記パージガスの温度を制御する、
二酸化炭素回収装置。
炭化水素製造装置であって、
請求項１から請求項５のいずれか一項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。
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回収器に、二酸化炭素を含む排ガスを供給して、前記吸着材に二酸化炭素を吸着させる吸着工程と、
前記回収器の内部においてパージガスを噴射するとともに、少なくとも一部の期間において前記回収器内部を減圧することによって、前記吸着材に吸着している二酸化炭素を前記回収器内部から取り出す脱離工程と、
前記回収器から排出される二酸化炭素とパージガスとの混合ガスの二酸化炭素濃度を推定する濃度推定工程と、を備え、
前記脱離工程では、
前記脱離工程の開始時、または、前記脱離工程が開始された後であって、前記濃度推定工程において推定される前記混合ガス中の二酸化炭素濃度に基づく第１のタイミングから前記脱離工程の終了時まで、前記回収器内部を減圧し、
前記回収器内部の減圧中において、前記第１のタイミングの後であって、前記濃度推定工程において推定される前記混合ガス中の二酸化炭素濃度に基づく第２のタイミングから前記パージガスの噴射量を相対的に減少させる、
二酸化炭素回収方法。