WO2021181579A1 - 吸収式除去・濃縮装置 - Google Patents

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井上宏志
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株式会社西部技研
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    • F24F6/14—Air-humidification, e.g. cooling by humidification by forming water dispersions in the air using nozzles

Definitions

  • the present invention for example, using a rotor holding a carbon dioxide absorbent such as an amine-impregnated porous material or a weakly basic anion exchange resin, carbon dioxide contained in the air to be treated is transferred from the air to be treated to the air to be treated.
  • a carbon dioxide absorbent such as an amine-impregnated porous material or a weakly basic anion exchange resin
  • the purpose is to remove carbon dioxide in a building or the like, or to supply concentrated high-concentration carbon dioxide to a vinyl house or a plant factory. It relates to an absorption type removing / concentrating device capable of removing / concentrating carbon dioxide according to the above.
  • a breathable adsorption rotor holding an amine-supporting solid absorber is used for low-temperature regeneration.
  • an absorption type removal / concentration device that can secure the substance recovery rate of the device while suppressing the regenerated energy by humidifying the air.
  • Patent Document 2 in which the technique of Patent Document 1 is applied, an enthalpy (both temperature and humidity) of the regenerating air and a treatment target are used by using a rotor holding a carbon dioxide absorbent such as an amine-supported solid absorber.
  • a carbon dioxide absorbent such as an amine-supported solid absorber.
  • a chemical absorption method using an aqueous amine solution is known as one of the carbon dioxide separation and recovery technologies. Since the amine aqueous solution requires enormous energy to separate carbon dioxide from the amine aqueous solution that has absorbed carbon dioxide (heat regeneration of the amine aqueous solution), reduction of the renewable energy is desired. As one of the solutions, the development of solid absorbents is in progress. Since the solid absorbent is an aqueous solution system when the amine aqueous solution is regenerated, it is possible to reduce the extra energy required for heating and cooling the water content.
  • the carbon dioxide absorption process using an aqueous amine solution is generally represented by the following formula as seen in Non-Patent Document 1.
  • Primary amine (R-NH 2 ) [1] 2R-NH 2 + CO 2 ⁇ R-NH 3 + + R-NH-COO - [2a] R-NH 2 + CO 2 + H 2 O ⁇ R-NH 3 + + HCO 3 - [2b] R-NH-COO - + H 2 O ⁇ R-NH 2 + HCO 3 -
  • Secondary amine (R 1 R 2- NH) [3] 2R 1 R 2 -NH + CO 2 ⁇ R 1 R 2 -NH + + R 1 R 2 -N-COO - [4a] R 1 R 2 -NH + CO 2 + H 2 O ⁇ R 1 R 2 -NH 2 + + HCO 3 - [4b] R 1 R 2 -N -COO - + H 2 O ⁇ R 1 R 2 -NH + HCO 3 - [4b] R 1
  • the carbon dioxide absorbent can absorb carbon dioxide by the second route [2a] [2b] [4a] [4b], the heat of reaction will be smaller than the reaction shown in [1] or [3]. , There is a merit that the energy of desorption regeneration can be reduced. That is, when an amine-supported solid absorbent is used, for example, under low temperature conditions such as absorption 15 ° C. (hereinafter, all temperatures are referred to as "Celsius") and desorption 45 ° C., [2a] [2b] [4a] [ It is considered that the reaction shown in 4b] occurs. However, since these reactions proceed in the presence of water, the coexistence of water (moisture) is essential.
  • the reaction shown here does not occur, and does not show the absorption and desorption performance of carbon dioxide under low temperature conditions such as absorption 15 ° C. and desorption 45 ° C.
  • Amine-based carbon dioxide absorbers also have problems of odor and heat deterioration due to oxidative decomposition, and it is important to lower the regeneration temperature in order to reduce these problems.
  • Patent Document 1 uses a honeycomb rotor holding an absorbent that requires the coexistence of moisture, such as an amine-supported solid absorber, to humidify the regeneration air in the regeneration zone to obtain the regeneration air.
  • the carbon dioxide removal performance is improved while lowering the temperature.
  • the problems of oxidative deterioration and odor of the amine-based carbon dioxide absorber are reduced.
  • Patent Document 2 controls the enthalpy (both temperature and humidity) of either or both of the processing target air that ventilates the processing zone of the adsorption rotor and the regeneration air that ventilates the heating regeneration zone. Therefore, it is possible to control the carbon dioxide removal / concentration performance.
  • Patent Document 2 easily increases the enthalpy of the renewable air in the subtropical region or the tropical region where the temperature and humidity of the outside air is high (high enthalpy) or the temperature and humidity of the outside air is high all year round. It is possible to improve the carbon dioxide removal / concentration performance, but in winter when the temperature and humidity of the outside air is low (low enthalpy), the enthalpy of the renewable air is increased to improve the carbon dioxide removal / concentration performance. There was a drawback that more energy was required to do this compared to summer. Further, paragraph 0016 describes that the moisture and heat desorbed in the regeneration zone are recovered and supplied to the regeneration inlet by a total heat exchanger or the like. It was not clarified how to operate the device when there are four seasons like Japan and the outside air condition changes drastically.
  • the main subject of the present invention is to exchange total heat between the exhaust air at the regeneration outlet and the regeneration air using a rotor holding a carbon dioxide absorber such as an amine-supported solid absorber.
  • a carbon dioxide absorber such as an amine-supported solid absorber.
  • the present invention has a rotor holding a carbon dioxide absorber, divides this rotor into at least a treatment zone and a regeneration zone, and ventilates the treatment target air through the treatment zone.
  • Carbon dioxide contained in the air to be treated is absorbed by the holding and absorbing agent of the rotor part to separate and remove it from the air to be treated, and in the regeneration zone, the latent heat and sensible heat of the regeneration exhaust are recovered by the total heat exchanger for regeneration.
  • It is an absorption type removal / concentrating device that regenerates the holding and absorbing agent in the rotor portion by desorbing the carbon dioxide absorbed in the treatment zone by the holding and absorbing agent by ventilating the air with the regenerating air.
  • the carbon dioxide absorption performance in the treatment zone is exhibited.
  • the desorption performance in the regenerating zone can be exhibited.
  • enthalpy swing absorption or "ESA” (Enthalpy Swing Absorption)
  • a cooling coil, a heating coil, a Belche element, an electric heater, a steam heater, a heat pump condenser (condenser) as a heating means, an evaporator (evaporator) as a cooling means, etc. are used as the temperature adjusting means for adjusting the enthalpy.
  • a heat pump condenser condenser
  • evaporator evaporator
  • a humidifying device when the humidity of the supply air supplied to the room is low, various methods such as water heating type, vaporization type, water spray type, and ultrasonic type are used, and an evaporator of a heat pump is used.
  • the generated condensed water may be used.
  • a regeneration circulation system path may be provided to return a part of the air leaving the regeneration zone to the front of the regeneration zone.
  • a treatment circulation system path may be provided to return a part of the air leaving the treatment zone to the front of the treatment zone.
  • the absorption type removal / concentrating device of the present invention is configured as described above, and by ventilating the treatment target air through the treatment zone, the carbon dioxide contained in the treatment target air is absorbed by the holding absorber of the rotor portion.
  • the carbon dioxide absorbed in the treatment zone is absorbed by the holding and absorbing agent by ventilating the regeneration air, which is separated and removed from the treatment target air and the latent heat and sensible heat of the regeneration exhaust are recovered by the total heat exchanger. , Desorb with regenerating air to regenerate the holding and absorbing agent in the rotor part.
  • the retaining and absorbing agent When the retaining and absorbing agent is regenerated, it is regenerated by the difference in enthalpy between the air flowing through the treatment zone and the air flowing through the regeneration zone, so that the regenerating can be sufficiently performed even if the temperature of the air flowing through the regeneration zone is low. Therefore, even if an amine-based carbon dioxide absorber is used, deterioration of the absorbent can be suppressed.
  • the carbon dioxide concentration in the outlet air becomes low, and the carbon dioxide concentration in the building or the like is supplied.
  • the carbon dioxide concentration in the room can be lowered.
  • the amount of outside air introduced to reduce the carbon dioxide concentration in the room can be significantly reduced, energy saving is achieved as compared with normal ventilation.
  • the carbon dioxide concentration is high in the regeneration outlet air that has passed through the regeneration zone of the absorption type removal / concentration device of the present invention, the plants grow faster when guided to a plant growing room such as a vinyl house or a plant factory. At the same time, it is possible to suppress the release of carbon dioxide into the environment.
  • both the regeneration outlet air and the treatment outlet air treated by the absorption type removal / concentrator of the present invention carbon dioxide in the room is removed and a high concentration of carbon dioxide in the regeneration zone is supplied to the vinyl house. You may.
  • the absorption type removal / concentration device of the present invention for example, the building is air-conditioned with the treatment outlet air, and carbon dioxide generated from humans or the like indoors is supplied to a vinyl house provided on the roof of the building to promote plant growth. , Carbon dioxide circulation air conditioning is also possible.
  • indoor air quality can be further improved by combining a honeycomb rotor capable of adsorbing odorous substances such as volatile organic compounds (hereinafter referred to as VOC) and ammonia with a carbon dioxide absorption type removal / concentration device using ESA. ..
  • FIG. 1 is a flow chart of Example 1 of the absorption type removal / concentrating device of the present invention.
  • the present invention has a rotor holding an amine-supported solid absorbent having a carbon dioxide absorbing function, and divides this rotor into at least a treatment zone and a regeneration zone.
  • the air to be treated is ventilated to the treatment zone, carbon dioxide is separated and removed from the air to be treated, and the regenerative air obtained by recovering the latent heat and sensible heat of the regenerated exhaust with a total heat exchanger is ventilated to the regeneration zone to produce carbon dioxide.
  • a total heat exchanger has the effect of desorbing.
  • Example 1 of the absorption type removal / separation device of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
  • Reference numeral 3 denotes a carbon dioxide removal rotor, which is a non-combustible sheet such as ceramic fiber paper or glass fiber paper that is corrugated and wound into a rotor shape, and is organic such as triethanolamine and monoethanolamine.
  • the carbon dioxide removal rotor 3 is divided into a processing zone 4 and a regeneration zone 5.
  • the treatment zone 4 the return air RA from the room or the like is supplied to the supply destination such as the room by the treatment blower 1 through the cooling device 2 such as the chilled water coil or the evaporator of the heat pump.
  • the air to be treated is ventilated to the treatment zone 4, and the carbon dioxide contained in the air to be treated is absorbed by the absorbent in the rotor portion to be separated and removed from the air to be treated to form carbon dioxide.
  • the concentration of carbon is reduced.
  • a humidifying device 11 such as a water heating type, a vaporization type, a water spray type, or an ultrasonic type.
  • Reference numeral 8 is a total heat exchange rotor, and there are already many commercially available products, but technically, the one disclosed in Japanese Patent No. 309018 is suitable. That is, the aluminum sheet is formed in a honeycomb shape, a moisture adsorbent is supported on the sheet, and finally a rotatable rotor shape is formed.
  • the moisture adsorbent as disclosed in Japanese Patent No. 309018, a crushed specific ion exchange resin is suitable, but the moisture adsorbent is not limited to this, and calcium chloride, diatomaceous earth, silica gel, zeolite, and high.
  • a molecular sorption agent or the like may be used, and only those obtained by alumite-treating the surface of an aluminum sheet to form a honeycomb shape may be used.
  • the hot water coil, the electric heater, and steam are used as the regeneration air in which the latent heat and the sensible heat are recovered in the precooling zone 10 from the air passing through the regeneration zone 5 by the preheating zone 9 of the total heat exchange rotor 8 for the outside air OA.
  • a heating device 6 such as a heater and a condenser of a heat pump
  • the carbon dioxide absorbed by the rotor is desorbed into the regeneration air by ventilating the regeneration zone 5 to retain the rotor portion in the process of passing through the zone.
  • the absorbent is regenerated.
  • the air whose latent heat and sensible heat are recovered from the regeneration outlet air in the precooling zone 10 of the total heat exchange rotor 8 is exhausted to the outside of the device as exhaust EA by the regeneration blower 7.
  • the total heat exchange rotor 8 may be capable of recovering total heat with a static orthogonal flow element type total heat exchanger.
  • the processing blower 1 is installed in front of the cooling device 2, but the present invention is not limited to this, and the processing blower 1 may be installed behind the processing zone 4 of the carbon dioxide removing rotor 3 or after the humidifying device 11. Further, the regenerative blower 7 may also be provided before and after the preheating zone 9 of the total heat exchange rotor 8 or before the precooling zone 10.
  • the amount of carbon dioxide removed may be increased by returning a part or all of the air emitted from the treatment zone 4 to the front of the cooling device 2 and circulating the treatment.
  • the amount of carbon dioxide removed may be increased by returning a part or all of the air emitted from the regeneration zone 3 to the front of the heating device 6 and circulating the regeneration.
  • FIG. 1 The values of temperature and humidity and carbon dioxide concentration in symbols (1) to (11) are shown in Table 1 below. In this specification, it is assumed that the winter, summer, and interim seasons are in the following states.
  • ⁇ Winter> The outside air temperature is 10 ° C or less and the absolute humidity is 5 g / kg (DA) or less.
  • ⁇ Summer> The temperature of the outside air is 25 ° C or higher, and the absolute humidity is 15 g / kg (DA) or higher.
  • the total heat exchange rotor 8 is rotated in the winter and the intermediate period, and is kept stationary in the summer without being rotated.
  • the total heat exchange rotor 8 is kept stationary without rotating in the summer, but a bypass path for bypassing the total heat exchange rotor 8 is provided, or the heat exchange rotor 8 is combined with the preheating zone 9.
  • the outside air OA intake port may be provided between the heating devices 6, and the exhaust port of the exhaust EA may be provided between the regeneration zone 5 of the carbon dioxide removal rotor 3 and the precooling zone 10 of the total heat exchange rotor 8.
  • the total heat exchange rotor 8 is rotated and operated throughout the year, and the air volume of the air passing through the preheating zone 9 and the precooling zone 10 of the total heat exchange rotor 8 by valves, dampers, etc., and the bypass path and By controlling the air volume of the air passing through the intake port of the outside air OA and the exhaust port of the exhaust EA, it becomes possible to appropriately control the enthalpy of the regenerative air sent to the regeneration zone 5 throughout the year.
  • the entire amount of the returned air RA from the room is used as the air to be treated, but a configuration in which a part or all of the outside air OA may be taken in may be used.
  • cooling device 2 and the heating device 6 may not be provided, or the humidifying device 11 may not be provided.
  • the absorption type removal / concentrating device having the configuration as in Example 1 in this way, it has a relatively simple structure and has four seasons like Japan, and the outside air conditions in one year such as summer, middle, and winter. It has become possible to provide an absorption type removal / concentrator that can be effectively used with energy saving even in areas where the conditions change drastically.
  • the present invention uses the principle of ESA with a rotor holding a carbon dioxide absorber to absorb carbon dioxide contained in the air to be treated in the treatment zone, and the moisture and heat desorbed in the regeneration zone by a total heat exchanger. Since carbon dioxide absorbed in the treatment zone is desorbed by the recovered regenerated air, energy saving is achieved as compared with the case where high temperature regenerated air is used in the regenerated zone. In addition, it can be effectively used even in areas with four seasons such as Japan, and it has become possible to make an air conditioner with a relatively simple structure.
  • the treatment outlet air that has passed through the treatment zone of the absorption type removal / concentrator of the present invention has a low carbon dioxide concentration, it can be supplied to a room such as a building where the carbon dioxide concentration is high to generate carbon dioxide in the room.
  • the carbon concentration can be lowered.
  • the carbon dioxide concentration in the room is lowered, the amount of outside air to be introduced can be significantly reduced, which saves energy as compared with normal ventilation.
  • the carbon dioxide concentration is high in the regeneration outlet air that has passed through the regeneration zone of the absorption type removal / concentration device of the present invention, the plants grow faster when guided to a plant growing room such as a vinyl house or a plant factory. At the same time, it is possible to suppress the release of carbon dioxide into the environment.
  • Both the regeneration outlet air and the processing outlet air may be used to supply a high concentration of carbon dioxide in the regeneration zone to the greenhouse while removing carbon dioxide in the room.
  • the building is air-conditioned with the treatment outlet air that removes carbon dioxide generated from humans from the indoor air to reduce the concentration, and the regeneration outlet has a high concentration of carbon dioxide. It is also possible to circulate and air-condition carbon dioxide by supplying air to a vinyl house installed on the roof of a building or the like to promote the growth of plants.
  • Treatment blower 2 Cooling device 3 Carbon dioxide removal rotor 4 Treatment zone 5 Regeneration zone 6 Heating device 7 Regeneration blower 8 Total heat exchange rotor 9 Preheating zone 10 Preheating zone 11 Humidifying device

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Abstract

【課題】四季を通して二酸化炭素を除去或いは濃縮でき、比較的簡単な構造で製作できる吸収式二酸化炭素除去・濃縮装置を提供する。 【解決手段】二酸化炭素の吸収剤を保持した二酸化炭素除去ロータ３を有し、このロータを少なくとも処理ゾーン４と再生ゾーン５とに分け、処理ゾーン４に処理対象空気を通風することで、その処理対象空気に含まれる二酸化炭素をロータ部分の保持吸収剤に吸収させて処理対象空気から分離除去し、再生ゾーン５では、全熱交換器８で再生排気の潜熱と顕熱を回収した再生用空気を通風することで、その保持吸収剤が処理ゾーン４で吸収した二酸化炭素を、再生用空気で脱離させて、ロータ部分の保持吸収剤を再生する吸収式除去・濃縮装置とした。

Description

吸収式除去・濃縮装置
　本発明は、例えば、アミン添着多孔質材、弱塩基性陰イオン交換樹脂などの二酸化炭素吸収剤を保持したロータを用いて、処理対象空気に含まれる二酸化炭素を処理対象空気から、処理対象空気と再生空気とのエンタルピ差を用いて分離することで、例えばビル等の室内の二酸化炭素を除去する目的や、ビニルハウスや植物工場などに濃縮した高濃度の二酸化炭素を供給する目的など、目的に応じて二酸化炭素を除去・濃縮できる吸収式除去・濃縮装置に関するものである。
　従来、ガス状の除去対象物質を処理対象空気から低温で分離除去できる装置として、例えば特許文献１に見られるようにアミン担持固体吸収剤を保持させた通気性の吸着ロータを用い、低温の再生空気を加湿することにより、再生エネルギーを抑えながらも装置の物質回収率を確保できる吸収式除去・濃縮装置が知られている。
　また特許文献１の技術を応用した特許文献２では、アミン担持固体吸収剤のような二酸化炭素の吸収剤を保持したロータを用いて、再生用空気のエンタルピ（温度と湿度の両方）と処理対象空気のエンタルピ（温度と湿度の両方）を制御することにより、装置の除去対象物質の除去量を制御できる吸収式除去・濃縮装置を提案している。
　さらに現在、二酸化炭素の分離回収技術の一つに、アミン水溶液による化学吸収法が知られている。アミン水溶液は、二酸化炭素を吸収したアミン水溶液から二酸化炭素を分離（アミン水溶液を加熱再生）するために莫大なエネルギーを要することから、再生エネルギーの低減が望まれている。その解決策の一つとして、固体吸収剤の開発が進んでいる。固体吸収剤は、アミン水溶液の再生時に水溶液系で有るがゆえに必要な、水分の加熱・冷却に関する余分なエネルギーを低減することができる。
　アミン水溶液を用いた二酸化炭素の吸収過程は非特許文献１に見られるように一般的に以下の式で示される。
一級アミン(Ｒ－ＮＨ２)
［１］ ２Ｒ－ＮＨ２ ＋ ＣＯ２ ⇔ Ｒ－ＮＨ３ ＋ ＋ Ｒ－ＮＨ－ＣＯＯ－ 
［２ａ］ Ｒ－ＮＨ２ ＋ ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ ⇔ Ｒ－ＮＨ３ ＋ ＋ ＨＣＯ３ － 
［２ｂ］ Ｒ－ＮＨ－ＣＯＯ－ ＋ Ｈ２Ｏ ⇔ Ｒ－ＮＨ２ ＋ ＨＣＯ３ － 
二級アミン(Ｒ１Ｒ２－ＮＨ)
［３］ ２Ｒ１Ｒ２－ＮＨ ＋ ＣＯ２ ⇔Ｒ１Ｒ２－ＮＨ＋ ＋ Ｒ１Ｒ２－Ｎ－ＣＯＯ－ 
［４ａ］ Ｒ１Ｒ２－ＮＨ ＋ ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ ⇔ Ｒ１Ｒ２－ＮＨ２ ＋ ＋ ＨＣＯ３ － 
［４ｂ］ Ｒ１Ｒ２－Ｎ－ＣＯＯ－ ＋ Ｈ２Ｏ ⇔ Ｒ１Ｒ２－ＮＨ ＋ ＨＣＯ３ －
　二酸化炭素吸収液が第二番目に示した経路［２ａ］［２ｂ］［４ａ］［４ｂ］により二酸化炭素吸収を行えると、 ［１］或いは［３]で示される反応よりも反応熱が小さくなり、脱離再生のエネルギーを少なくできるというメリットがある。即ち、アミン担持固体吸収剤を用いる場合、例えば吸収摂氏１５℃（以降、温度は全て「摂氏」とする）、脱離４５℃のような低温条件では、［２ａ］［２ｂ］［４ａ］［４ｂ］で示されるような反応が起こると考えられる。ただし、これらの反応は水の存在下で進むため、水分（湿分）の共存が必須である。
　三級アミンはＮＨ結合を持たないため、ここで示した反応は起きず、例えば吸収１５℃、脱離４５℃といった低温条件においては二酸化炭素の吸収脱離性能を示さない。
　アミン系二酸化炭素吸収剤は酸化分解による臭いや熱劣化の問題もあり、これを低減するためにも再生温度を低くすることは重要である。
特許第５７９５４２３号公報 特開２０１７－１５４０６３号公報
公益財団法人 地球環境産業技術研究機構 平成２２年二酸化炭素回収技術高度化事業 成果報告書
　特許文献１に開示されたものは、アミン担持固体吸収剤のような水分の共存が必要な吸収剤を保持したハニカムロータを使い、再生ゾーンの再生用空気を加湿することによって、再生用空気の温度を下げながら二酸化炭素除去性能を高めている。また、低温で再生することにより、アミン系二酸化炭素吸収剤の酸化劣化や臭いの問題も低減している。
　しかしながら、特許文献１に記載のものは、どのような制御方法で吸収式除去・濃縮装置を制御すれば、結果として装置の物質回収率η（即ち、処理ゾーンにおいて処理対象空気から除去対象物質を吸収により分離除去する効率）や除去対象物質の除去量がどのようになるか不明確で、設計条件や空気条件など種々の仕様が変わった場合の装置の最適化ができなかった。
　また特許文献２に開示されたものは、吸着ロータの処理ゾーンに通風する処理対象空気か、加熱再生ゾーンに通風する再生用空気の何れか又は両方のエンタルピ（温度と湿度の両方）を制御して、二酸化炭素の除去・濃縮性能の制御が可能となるようにしている。
　しかしながら、特許文献２に記載のものは、外気の温湿度が高い（エンタルピが高い）夏期または一年中外気の温湿度が高い亜熱帯地方や熱帯地方では、再生用空気のエンタルピを容易に高くすることが可能で二酸化炭素の除去・濃縮性能を高くできるが、外気の温湿度が低い（エンタルピが低い）冬期には、再生用空気のエンタルピを高くして、二酸化炭素の除去・濃縮性能を高くするためには夏期と比較して多くのエネルギーが必要になるという欠点があった。また、段落００１６に再生ゾーンで脱離した水分と熱を全熱交換器等で再生入口に湿分と温度を回収供給することが記載されているが、具体的に装置をどのような構成にするのかや、日本のように四季が有り、外気条件が大きく変わる時に装置をどのように運転するのかなど明確にされていなかった。
　この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、アミン担持固体吸収剤のような二酸化炭素の吸収剤を保持したロータを用いて、再生出口の排気する空気と再生用空気の間で全熱交換して、排気空気から充分に潜熱と顕熱を回収することにより、冬期の再生用空気のエンタルピを高くすることにより、四季を通して装置の除去対象物質の除去量を適切に維持できる吸収式除去・濃縮装置を提供することにある。
　本発明は以上のような課題を解決するため、二酸化炭素の吸収剤を保持したロータを有し、このロータを少なくとも処理ゾーンと再生ゾーンとに分け、処理ゾーンに処理対象空気を通風することで、その処理対象空気に含まれる二酸化炭素をロータ部分の保持吸収剤に吸収させて処理対象空気から分離除去し、再生ゾーンでは、全熱交換器で再生排気の潜熱と顕熱を回収した再生用空気を通風することで、その保持吸収剤が前記処理ゾーンで吸収した二酸化炭素を、再生用空気で脱離させて、ロータ部分の保持吸収剤を再生する吸収式除去・濃縮装置である。
　アミン担持固体吸収剤のような二酸化炭素の吸収剤を担持したハニカムロータを用いて、処理対象空気のエンタルピを再生用空気のエンタルピより低くすることにより、処理ゾーンにおける二酸化炭素の吸収性能を発揮させ、再生用空気のエンタルピを処理対象空気のエンタルピより高くすることにより、再生ゾーンにおける脱離性能を発揮させることができる。このようにエンタルピ差によって目的物の吸収・脱離を行なう原理（以下、「エンタルピスイング吸収」または「ＥＳＡ」（Ｅｎｔｈａｌｐｙ　Ｓｗｉｎｇ　Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）という）を用いて、吸収式除去・濃縮装置における除去・濃縮性能を発揮させるようにした。
　エンタルピ調整するための温度調整手段としては、冷却コイル、加熱コイル、ベルチェ素子、電気ヒータ、蒸気ヒータや加熱手段としてヒートポンプの凝縮器（コンデンサ）、冷却手段として蒸発器（エバポレータ）などが用いられる。また、室内などに供給する給気の湿度が低い場合の加湿装置としては、水加熱式、気化式、水噴霧式、超音波式など種々の方式が用いられ、ヒートポンプの蒸発器（エバポレータ）で発生する凝縮水を利用してもよい。
　また、再生ゾーンでの二酸化炭素濃縮効率を向上するため、再生ゾーンを出た空気の一部を再生ゾーンの前に戻す再生循環系路を設けてもよい。
　また、処理ゾーンでの二酸化炭素除去率を向上するため、処理ゾーンを出た空気の一部を処理ゾーンの前に戻す処理循環系路を設けてもよい。
　本発明の吸収式除去・濃縮装置は前述の如く構成したもので、処理ゾーンに処理対象空気を通風することで、その処理対象空気に含まれる二酸化炭素をロータ部分の保持吸収剤に吸収させて処理対象空気から分離除去し、再生ゾーンでは、全熱交換器で再生排気の潜熱と顕熱を回収した再生用空気を通風することで、その保持吸収剤が前記処理ゾーンで吸収した二酸化炭素を、再生用空気で脱離させて、ロータ部分の保持吸収剤を再生する。この保持吸収剤の再生の際に、処理ゾーンに流す空気と再生ゾーンに流す空気のエンタルピの差で再生しているため、再生ゾーンに流す空気の温度が低くても十分に再生ができる。よってアミン系の二酸化炭素吸収剤を用いても、吸収剤の劣化を抑えることができる。
　本発明の吸収式除去・濃縮装置の処理ゾーンに、室内の還気を通過させると、出口空気の二酸化炭素濃度が低くなり、ビルなどの二酸化炭素濃度が高くなっている室内に供給することで室内の二酸化炭素濃度を低くすることができる。この場合、室内の二酸化炭素濃度を低減させるために導入する外気量を大幅に低減することができるため、通常の換気と比べて省エネルギーとなる。また、本発明の吸収式除去・濃縮装置の再生ゾーンを通過した再生出口空気は二酸化炭素濃度が高くなっているため、ビニルハウスや植物工場などの植物の育成室に導くと植物の成長が早くなるとともに、環境への二酸化炭素の放出を抑制できる。本発明の吸収式除去・濃縮装置にて処理された、再生出口空気と処理出口空気の両方を用いて、室内の二酸化炭素を除去しながら、再生ゾーンの高濃度の二酸化炭素をビニルハウスに供給してもよい。本発明の吸収式除去・濃縮装置で、例えば、処理出口空気でビルを空調し、室内でヒトなどから発生した二酸化炭素をビルの屋上に設けたビニルハウスに供給し、植物の生長を促進させる、といった、二酸化炭素の循環空調も可能となる。
　さらに揮発性有機化合物（以下ＶＯＣと書く）やアンモニアなどの臭気物質の吸着能力を有するハニカムロータとＥＳＡによる二酸化炭素吸収式除去・濃縮装置を組み合わせることによって、さらに室内空気質を向上することができる。
図１は本発明の吸収式除去・濃縮装置の実施例１におけるフロー図である。
　本発明は、二酸化炭素吸収機能を持つアミン担持固体吸収剤などを保持したロータを有し、このロータを少なくとも処理ゾーンと再生ゾーンとに分割する。処理対象空気を処理ゾーンに通風して、処理対象空気から二酸化炭素を分離除去し、全熱交換器で再生排気の潜熱と顕熱を回収した再生用空気を再生ゾーンに通風して、二酸化炭素を脱離させるという作用を有する。
　以下、本発明の吸収式除去・分離装置の実施例１について図１に沿って詳細に説明する。３は二酸化炭素除去ロータであり、セラミック繊維紙やガラス繊維紙などの不燃性のシートをコルゲート（波付け）加工しロータ状に巻き付け加工したもので、トリエタノールアミン、モノエタノールアミンなどの有機系吸収剤、或いはアミン系の弱塩基性陰イオン交換樹脂、アミンを担持した活性炭やシリカゲルやメソポーラスシリカなどのアミン担持固体吸収剤が担持されている。
　二酸化炭素除去ロータ３は処理ゾーン４と再生ゾーン５に分割されている。処理ゾーン４には室内などからの還気ＲＡが冷水コイルやヒートポンプの蒸発器などの冷却装置２を通して処理送風機１で室内などの供給先に給気される。
　処理対象空気を冷却装置２に通してエンタルピ調整した後、処理ゾーン４に通風して、処理対象空気に含まれる二酸化炭素をロータ部分の吸収剤に吸収させて処理対象空気から分離除去し、二酸化炭素の濃度は低減する。なお、室内などへの給気ＳＡの湿度が低い場合には、水加熱式、気化式、水噴霧式、超音波式などの加湿装置１１によって加湿する。
　８は全熱交換ロータであり、既に多くの市販品があるが、技術的には日本特許第３００９０１８号に開示されたものなどが適する。つまり、アルミニウム・シートをハニカム状に形成し、そのシートの上に湿気吸着剤を担持し、最終的に回転可能なロータ状に形成されている。湿気吸着剤としては、日本特許第３００９０１８号に開示されたように、特定のイオン交換樹脂を粉砕したものが適するが、これに限定されるものではなく、塩化カルシウム、珪藻土、シリカゲル、ゼオライト、高分子収着剤などでもよく、単にアルミニウム・シートの表面をアルマイト処理してハニカム状に形成したものだけを使ってもよい。
　再生ゾーン５では、外気ＯＡを全熱交換ロータ８の予熱ゾーン９により、再生ゾーン５を通過した空気から予冷ゾーン１０で潜熱と顕熱を回収した再生用空気として、温水コイル、電気ヒータ、蒸気ヒータ、ヒートポンプの凝縮器などの加熱装置６によってエンタルピ調整した後、再生ゾーン５に通風して、ロータに吸収した二酸化炭素を再生用空気に脱離させ、ゾーン内通過過程にあるロータ部分の保持吸収剤は再生される。
　全熱交換ロータ８の予冷ゾーン１０で再生出口空気から潜熱と顕熱を回収された空気は、再生送風機７によって排気ＥＡとして装置外へ排気される。なお、全熱交換ロータ８は、静止型直交流素子タイプの全熱交換器で全熱回収できるようにしてもよい。
　特に一級アミン及び／又は二級アミンを官能基として有する弱塩基性陰イオン交換樹脂を固体吸収剤として用いると、前記の式［２ａ］［２ｂ］［４ａ］［４ｂ］で示されるような反応が起こり、アミン－二酸化炭素－水系の連続誘電体モデルができると考えられている。つまり溶質としてのＨＣＯ３ －分子の周りに連続誘電体としての溶媒ができ、溶質分子の電荷分布が周りの溶媒に分極を引き起こす。連続誘電体モデルでは、このような溶質溶媒間相互作用により、式［２ａ］［２ｂ］［４ａ］［４ｂ］を低温条件下で促進させるため、吸収速度や放散速度などの反応性が高くなる。したがって、低温度の再生温度で加湿することにより、従来技術である置換脱着のような、加熱した低温の再生用空気を加湿状態にして吸着状態にある除去対象物質を水分により吸着材から追い出すものと異なる挙動を示す。なお、これまで行ってきた種々の試験でも、三級アミンを官能基として有するアミン担持固体吸収剤を担持したハニカムロータでは、ほとんど二酸化炭素を除去・濃縮できないという知見が得られており、このことからも上記のような反応で二酸化炭素の除去・濃縮が起こっていると考えられる。
　実施例１では、処理送風機１を冷却装置２の前に設置したが、これに限定されるものではなく、二酸化炭素除去ロータ３の処理ゾーン４の後ろや加湿装置１１の後に設けてもよい。また、再生送風機７についても、全熱交換ロータ８の予熱ゾーン９の前後や、予冷ゾーン１０の前に設けてもよい。
　また、処理ゾーン４から出た空気の一部または全量を冷却装置２の前に戻して処理循環させることにより、二酸化炭素除去量を高めるようにしてもよい。
　さらに、再生ゾーン３から出た空気の一部または全量を加熱装置６の前に戻して再生循環させることにより、二酸化炭素除去量を高めるようにしてもよい。
　この実施例１の吸収式除去・濃縮装置において、一般的なビルのワンフロアの空調を行うために必要な約４，０００ｍ３/ｈｒの処理風量の場合、冬期、夏期、中間期における図１の符号（１）～（１１）での温湿度と二酸化炭素濃度の値を以下の表１に示す。なお、本明細書では、冬期、夏期、中間期は以下の状態であるものとする。
　＜冬期＞
外気の気温が１０℃以下であって、且つ絶対湿度が５ｇ/ｋｇ（ＤＡ）以下の状態
　＜夏期＞
外気の温度が２５℃以上であって、且つ絶対湿度が１５ｇ/ｋｇ（ＤＡ）以上の状態
　＜中間期＞
外気の温度と絶対湿度が上記の冬期と夏期の間の状態
　なお、冬期と中間期では全熱交換ロータ８を回転させ、夏期は回転させずに静止した状態にする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　実施例１では、夏期は全熱交換ロータ８を回転させずに静止した状態にするが、全熱交換ロータ８をバイパスさせるようなバイパス路を設けたり、全熱交換ロータ８の予熱ゾーン９と加熱装置６の間に外気ＯＡの取入れ口を、二酸化炭素除去ロータ３の再生ゾーン５と全熱交換ロータ８の予冷ゾーン１０の間に排気ＥＡの排気口を設ける構成としてもよい。このような構成にすることにより、年間を通して全熱交換ロータ８を回転稼働させ、バルブやダンパなどにより全熱交換ロータ８の予熱ゾーン９や予冷ゾーン１０を通過する空気の風量と、バイパス路や外気ＯＡの取入れ口と排気ＥＡの排気口を通過する空気の風量を制御して、再生ゾーン５に送る再生用空気のエンタルピを、年間を通して適切に制御することが可能となる。
　また、実施例１では処理対象空気として、室内からの還気ＲＡを全量用いたが、外気ＯＡを一部または全て取り入れるような構成としてもよい。
　さらに、外気や室内の空気条件によっては、冷却装置２または加熱装置６のどちらか一方または両方が無い構成としてもよく、加湿装置１１が無い構成としてもよい。
　このように実施例１のような構成の吸収式除去・濃縮装置にすることによって、比較的簡単な構造で、日本のように四季が有り、夏期、中間期、冬期と一年間での外気条件が大きく変わる地域においても、省エネルギーで有効に使える吸収式除去・濃縮装置を提供することが可能となった。
　本発明は、二酸化炭素の吸収剤を保持したロータでＥＳＡの原理を用いて、処理ゾーンで処理対象空気に含まれる二酸化炭素を吸収し、全熱交換器によって再生ゾーンで脱着された水分と熱回収を行なった再生用空気によって処理ゾーンで吸収した二酸化炭素を脱離するため、再生ゾーンに高温再生用空気を用いる場合に比べて省エネルギーである。また、日本のように四季の有る地域でも有効に使用でき、比較的簡単な構造の空調装置とすることが可能となった。
　本発明の吸収式除去・濃縮装置の処理ゾーンを通過した処理出口空気は、二酸化炭素濃度が低くなっているため、ビルなどの二酸化炭素濃度が高くなっている室内に供給することで室内の二酸化炭素濃度を低くすることができる。この場合、室内の二酸化炭素濃度が低下するので導入する外気量を大幅に低減することができるため、通常の換気と比べて省エネルギーとなる。また、本発明の吸収式除去・濃縮装置の再生ゾーンを通過した再生出口空気は二酸化炭素濃度が高くなっているため、ビニルハウスや植物工場などの植物の育成室に導くと植物の成長が早くなるとともに、環境への二酸化炭素の放出を抑制できる。再生出口空気と処理出口空気の両方を用いて、室内の二酸化炭素を除去しながら、再生ゾーンの高濃度の二酸化炭素をビニルハウスに供給してもよい。例えば、本発明の吸収式除去・濃縮装置で、室内空気からヒトなどから発生した二酸化炭素を除去して低濃度にした処理出口空気でビルを空調し、二酸化炭素が高濃度になった再生出口空気をビルの屋上等に設けたビニルハウスに供給して植物の生長を促進させるといった、二酸化炭素の循環空調も可能となる。
１     処理送風機
２     冷却装置
３     二酸化炭素除去ロータ
４     処理ゾーン
５     再生ゾーン
６     加熱装置
７     再生送風機
８     全熱交換ロータ
９     予熱ゾーン
１０     予冷ゾーン
１１     加湿装置

Claims (10)

  1. 　二酸化炭素の吸収剤を保持した二酸化炭素除去ロータを有し、前記二酸化炭素除去ロータを少なくとも処理ゾーンと再生ゾーンとに分け、前記処理ゾーンに処理対象空気を通風することで、前記処理対象空気に含まれる二酸化炭素を前記二酸化炭素除去ロータ部分の保持吸収剤に吸収させて分離除去して供給先に給気し、前記再生ゾーンでは、全熱交換器で前記再生ゾーンからの再生排気の潜熱と顕熱を回収した再生用空気を通風することで、前記保持吸収剤が前記処理ゾーンで吸収した二酸化炭素を脱離させることによって、前記保持吸収剤を再生するようにした吸収式除去・濃縮装置。
  2. 　前記処理対象空気を冷却する冷却装置または前記再生用空気を加熱する加熱装置のいずれか一方または両方とも設けたことを特徴とする請求項１に記載の吸収式除去・濃縮装置。
  3. 　前記処理ゾーンの出口側に加湿装置を設けたことを特徴とする請求項１或いは請求項２に記載の吸収式除去・濃縮装置。
  4. 　前記全熱交換器が全熱交換ロータまたは静止型直交流素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の吸収式除去・濃縮装置。
  5. 　前記冷却装置は、ヒートポンプの蒸発器で、前記加熱装置は、ヒートポンプの凝縮器であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の吸収式除去・濃縮装置。
  6. 　前記全熱交換ロータを冬期と中間期は回転させ、夏期は静止させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の吸収式除去・濃縮装置。
  7. 　前記全熱交換ロータの予熱ゾーンと予冷ゾーンのいずれか一方または両方をバイパスさせるバイパス路を設けたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の吸収式除去・濃縮装置。
  8. 　前記二酸化炭素除去ロータの前記再生ゾーンに直接外気を取り込む取入れ口と前記再生ゾーンから直接装置外へ排気する排気口を設けたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の吸収式除去・濃縮装置。
  9. 　前記二酸化炭素除去ロータの前記処理ゾーンを出た空気の一部を処理ゾーンの前に戻す処理循環系路を設けたことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の吸収式除去・濃縮装置。
  10.  前記二酸化炭素除去ロータの前記再生ゾーンを出た空気の一部を再生ゾーンの前に戻す再生循環系路を設けたことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の吸収式除去・濃縮装置。
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