特許 6247788 二酸化炭素分離回収システム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6247788

(24)【登録日】2017年11月24日

(45)【発行日】2017年12月13日

(54)【発明の名称】二酸化炭素分離回収システム及び方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/04 20060101AFI20171204BHJP

   B01D 53/14 20060101ALI20171204BHJP

   B01D 53/62 20060101ALI20171204BHJP

   C01B 32/50 20170101ALI20171204BHJP

【ＦＩ】

   B01D53/04 230

   B01D53/14 100

   B01D53/62

   C01B32/50

【請求項の数】7

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2017-178081(P2017-178081)

(22)【出願日】2017年9月15日

(62)【分割の表示】特願2015-523849(P2015-523849)の分割

【原出願日】2014年6月16日

【審査請求日】2017年9月15日

(31)【優先権主張番号】特願2013-133045(P2013-133045)

(32)【優先日】2013年6月25日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥村 雄志

(72)【発明者】

【氏名】野中 嘉治

(72)【発明者】

【氏名】荻野 智行

(72)【発明者】

【氏名】西部 祥平

(72)【発明者】

【氏名】庄司 恭敏

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 達也

【審査官】 佐々木 典子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１２１５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−２５４２２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１１５８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２５２５２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ ５３／０２−５３／１２

Ｂ０１Ｄ ５３／１４−５３／１８

Ｂ０１Ｄ ５３／３４−５３／８５

Ｂ０１Ｄ ５３／２６−５３／２８

Ｃ０１Ｂ ３２／５０

Ｆ２６Ｂ １／００−２５／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

二酸化炭素の吸着材を用いて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するとともに、二酸化炭素吸着後の前記吸着材を再生する二酸化炭素分離回収システムであって、
所定の吸着温度の前記吸着材で前記被処理ガス中の二酸化炭素を吸着し、二酸化炭素が除去された前記被処理ガスを排出する吸着塔と、
二酸化炭素を吸着した前記吸着材に脱着用水蒸気を凝縮させることにより前記吸着材から二酸化炭素を脱着させる再生塔と、
湿球温度が前記吸着温度である乾燥用ガスで二酸化炭素を脱着した前記吸着材に含まれる凝縮水を水蒸気として蒸発させることにより、含水率が限界含水率又はそれ以上の所定値となるまで前記吸着材を乾燥させる乾燥塔と、
前記乾燥塔から排出された前記吸着材を前記吸着塔へ移送する移送手段とを備える、
二酸化炭素分離回収システム。

【請求項2】

二酸化炭素の吸着材を用いて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するとともに、二酸化炭素吸着後の前記吸着材を再生する二酸化炭素分離回収システムであって、
所定の吸着温度の前記吸着材で前記被処理ガス中の二酸化炭素を吸着し、二酸化炭素が除去された前記被処理ガスを排出する吸着塔と、
二酸化炭素を吸着した前記吸着材に脱着用水蒸気を凝縮させることにより前記吸着材から二酸化炭素を脱着させる再生塔と、
湿球温度が前記吸着温度である乾燥用ガスで二酸化炭素を脱着した前記吸着材に含まれる凝縮水を水蒸気として蒸発させることにより、前記吸着材の温度が低下し、ほぼ一定となったあと、前記吸着材の温度が上昇する前まで前記吸着材を乾燥させる乾燥塔と、
前記乾燥塔から排出された前記吸着材を前記吸着塔へ移送する移送手段とを備える、
二酸化炭素分離回収システム。

【請求項3】

二酸化炭素の吸着材を用いて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するとともに、二酸化炭素吸着後の前記吸着材を再生する二酸化炭素分離回収システムであって、
二酸化炭素を吸着した前記吸着材と脱着用水蒸気とにより移動層が形成され、前記吸着材に前記脱着用水蒸気を凝縮させることにより前記吸着材から二酸化炭素を脱着させる第１の塔と、
前記第１の塔から排出された前記吸着材と前記被処理ガスとにより移動層が形成され、前記吸着材を前記被処理ガスと接触させて前記被処理ガス中の二酸化炭素を当該吸着材に吸着させ、前記吸着材を乾燥用ガスとしての前記被処理ガスと接触させて前記吸着材に凝縮した水蒸気を蒸発させ、含水率が限界含水率又はそれ以上の所定値となった前記吸着材を排出する第２の塔と、
前記第２の塔から前記第１の塔へ、前記吸着材を移送する移送手段とを備える、
二酸化炭素分離回収システム。

【請求項4】

二酸化炭素の吸着材を用いて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するとともに、二酸化炭素吸着後の前記吸着材を再生する二酸化炭素分離回収システムであって、
二酸化炭素を吸着した前記吸着材と脱着用水蒸気とにより移動層が形成され、前記吸着材に前記脱着用水蒸気を凝縮させることにより前記吸着材から二酸化炭素を脱着させる第１の塔と、
前記第１の塔から排出された前記吸着材と前記被処理ガスとにより移動層が形成され、前記吸着材を前記被処理ガスと接触させて前記被処理ガス中の二酸化炭素を当該吸着材に吸着させ、前記吸着材を乾燥用ガスとしての前記被処理ガスと接触させて前記吸着材に凝縮した水蒸気を蒸発させ、前記吸着材の温度が低下し、ほぼ一定となったあと、前記吸着材の温度が上昇する前の前記吸着材を排出する第２の塔と、
前記第２の塔から前記第１の塔へ、前記吸着材を移送する移送手段とを備える、
二酸化炭素分離回収システム。

【請求項5】

二酸化炭素を吸着させる前記吸着材の温度が所定の吸着温度であり、
前記乾燥用ガスの湿球温度が前記吸着温度である、
請求項３又は４に記載の二酸化炭素分離回収システム。

【請求項6】

吸着容器内で、所定の吸着温度の二酸化炭素の吸着材に、二酸化炭素を含有する被処理ガス中の二酸化炭素を吸着させることと、
前記吸着材を脱着用水蒸気と接触させて前記吸着材に前記脱着用水蒸気を凝縮させることにより、前記吸着材から二酸化炭素を脱着させることと、
湿球温度が前記吸着温度である乾燥用ガスを乾燥容器内で前記吸着材と接触させて前記吸着材に含まれる凝縮水を水蒸気として蒸発させて、前記吸着材の含水率が限界含水率又はそれ以上の所定値となるまで乾燥した前記吸着材を前記乾燥容器から排出して前記吸着容器へ搬送することとを含む、
二酸化炭素分離回収方法。

【請求項7】

吸着容器内で、所定の吸着温度の二酸化炭素の吸着材に、二酸化炭素を含有する被処理ガス中の二酸化炭素を吸着させることと、
前記吸着材を脱着用水蒸気と接触させて前記吸着材に前記脱着用水蒸気を凝縮させることにより、前記吸着材から二酸化炭素を脱着させることと、
二酸化炭素が脱着した前記吸着材を乾燥容器内で湿球温度が前記吸着温度である乾燥用ガスと接触させることにより、前記吸着材の温度が低下し、ほぼ一定となったあと、前記吸着材の温度が上昇する前まで乾燥した前記吸着材を前記乾燥容器から排出して前記吸着容器へ搬送することとを含む、
二酸化炭素分離回収方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、石炭燃焼排ガス等の二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む被処理ガスからＣＯ_２を分離・回収する技術に関する。詳細には、固体吸着剤を用いて被処理ガス中のＣＯ_２を選択的に分離し、ＣＯ_２を回収し、分離に利用した固体吸着剤を再生する、二酸化炭素分離回収システム及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、石炭燃焼排ガス等のＣＯ_２を含む排ガスからのＣＯ_２を回収する技術が研究されている（例えば、特許文献１、非特許文献１）。非特許文献１では、物理吸着法・移動床循環再生方式のＣＯ_２回収プラントが示されている。このＣＯ_２回収プラントでは、固体吸着剤を用いて、石炭燃焼排ガスからＣＯ_２が選択的に分離されて、分離されたＣＯ_２が回収される。

【0003】

図９は、非特許文献１のfig.1に記載のＣＯ_２回収プラントの概略構成を示す図である。このＣＯ_２回収プラントは、垂直方向に直列に配置された冷却塔、吸着塔、濃縮塔、再生塔及び貯槽と、貯槽から冷却塔へ吸着剤を運ぶバケットエレベータとを備えている。吸着塔、冷却塔、再生塔及び貯槽にはそれぞれ吸着剤であるゼオライトが充填されている。吸着剤は、最上部の冷却塔より最下部の貯槽へ順次移動し、最下部の貯槽からはバケットエレベータで最上部の冷却塔へ運ばれる。塔槽類下部にはそれぞれバルブが設けられており、これらのバルブを開閉することで、１バッチずつ吸着剤を下方の塔槽へ移動させる。

【0004】

上記構成のＣＯ_２回収プラントにおいて、石炭燃焼排ガスは排ガスブロワにて、冷却装置と除湿装置の前処理工程で水分を除去されたのち、吸着塔下部に連続的に導入される。排ガス中のＣＯ_２は、吸着塔内を上昇するうちに吸着剤に吸着され、ＣＯ_２が除去されたオフガスは、吸着塔の塔頂より系外へ排出される。濃縮塔では、ＣＯ_２を吸着した吸着剤から回収されたＣＯ_２の一部が、吸着剤に吸着された窒素などとともに圧縮されて塔から排出され、製品ガスとして回収される。再生塔では、過熱蒸気の供給と減圧により吸着剤からＣＯ_２を脱着し、このＣＯ_２が製品ガスとして回収される。再生された吸着剤は貯槽及びバケットエレベータを経て冷却塔へ送られ、冷却されたのち、吸着塔へ戻されて再利用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２０１２−５２０７６６号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】化学工学論文集第２８巻第５号（２００２）「移動床循環方式による石炭燃焼排ガスからのＣＯ２回収技術の適応性」６３６ページ左コラム下から４行目から右コラム２２行目まで、乗京逸夫・大岸弘、２００２年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記非特許文献１に記載のＣＯ_２回収プラントの再生塔では、シェルアンドチューブ構造による接触伝熱方式が採用されている。即ち、再生塔のシェル側に吸着剤が導入され、同じくチューブ側に過熱水蒸気が導入されることにより、間接加熱方式で吸着剤の温度を上昇させている。しかし、過熱水蒸気から得られる顕熱は小さく、また、再生塔から流出する水蒸気の潜熱は利用されずに捨てられている。吸着剤であるゼオライトは、温度が高いほどＣＯ_２吸着量が低減する。ところが、再生後の吸着剤は高温（例えば、１４０℃）となっているため、吸着剤を所定の吸着温度（例えば、４０℃）まで冷却して吸着性能を回復せねばならない。このため、再生塔の下流には吸着剤を冷却するための貯槽と冷却塔が必要である。以上のように、従来のＣＯ_２回収プラントには省エネルギー化の余地が残されており、ＣＯ_２回収技術を実用化するためには、ＣＯ_２回収のために投入されるエネルギーの更なる削減が望まれる。

【0008】

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、固体吸着剤を含む吸着材を用いて排ガス中のＣＯ_２を選択的に分離してＣＯ_２を回収する二酸化炭素分離回収システムにおいて、ＣＯ_２回収と吸着材再生のために投入されるエネルギーの更なる削減を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

発明者らは、二酸化炭素分離回収システムを開発するにあたって、吸着材からＣＯ_２を脱着させるために、吸着材を間接加熱するのではなく、吸着材と水蒸気とを直接的に接触させる直接加熱方式を採用することとした。この方式を採用することにより、ＣＯ_２の脱着で水蒸気の潜熱をエネルギーとして利用することができる。水蒸気の潜熱は、水蒸気の顕熱と比較して同量の水分から得られるエネルギーが大きく、吸着材からＣＯ_２を脱着させるために必要な水分量を低減することができる。また、再生塔から水蒸気が排出されないので、従来のように、利用されずに捨てられていた水蒸気エネルギーのロスを抑制することができる。さらに、ＣＯ_２濃度を上昇させるための濃縮塔が不要になり、設備コストを削減することができる。

【0010】

以上のように、二酸化炭素分離回収システムが吸着材と水蒸気とを直接的に接触させる方式の再生塔を備える場合、再生塔から排出された吸着材には凝縮水が付着しているので、この凝縮水を蒸発させるために、再生塔の下流に乾燥塔が必要となる。従来の一般的な乾燥塔は、乾燥空気を材料に吹き付けることにより材料を乾燥させるように構成されている。この一般的な乾燥塔を二酸化炭素分離回収システムに採用する場合、乾燥塔から排出された吸着材は乾燥に伴い温度上昇しているので、吸着塔でのＣＯ_２吸着に適した吸着温度まで冷却するために、乾燥塔の下流に冷却塔が必要となる。

【0011】

ところで、以下に示す乾燥に関する基礎的事項が知られている。図１０の平均含水率と材料温度の経時変化を示すグラフに示されるように、十分に湿った材料を定常条件下で乾燥すると、材料予熱期間I、定率乾燥期間II及び減率乾燥期間IIIの３期間が存在する。定率乾燥期間II中は、自由水面からの蒸発が起こり、材料の水分量が減少する。定率乾燥期間II中は、材料への流入熱量はすべて水分蒸発に費やされるため、材料温度はほぼ一定であって、熱風乾燥の場合には材料の温度は接する熱風の湿球温度に一致する。減率乾燥期間III中は、材料内部での水分の蒸発と材料表面までの水分の移動が起こり、材料の水分量の減少が緩慢となる。減率乾燥期間IIIに入ると材料温度は上昇し、材料内部に温度分布を生じる。

【0012】

発明者らは、上記乾燥に関する基礎的事項に基づき、次に示す知見に至った。即ち、乾燥塔において、所定温度の乾燥用ガスで吸着材を熱風乾燥し、吸着材の乾燥の程度が減率乾燥期間IIIに入る前に、即ち、吸着材の含水率が限界含水率ｗ_ｃ以上で乾燥を終了すれば、吸着材の温度をＣＯ_２吸着に適した吸着温度又はその近傍まで冷却することができる。つまり、乾燥塔の下流に冷却塔が不要となり、また、乾燥塔から排出された吸着材をそのまま吸着塔へ搬入することができるので貯槽が不要となる。発明者らは以上の知見に基づき、本発明を考案した。

【0013】

本発明の一態様に係る二酸化炭素分離回収システムは、二酸化炭素の吸着材を用いて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するとともに、二酸化炭素吸着後の前記吸着材を再生する二酸化炭素分離回収システムであって、
所定の吸着温度の前記吸着材で前記被処理ガス中の二酸化炭素を吸着し、二酸化炭素が除去された前記被処理ガスを排出する吸着塔と、
二酸化炭素を吸着した前記吸着材に脱着用水蒸気を凝縮させることにより前記吸着材から二酸化炭素を脱着させる再生塔と、
湿球温度が前記吸着温度である乾燥用ガスで二酸化炭素を脱着した前記吸着材に含まれる凝縮水を水蒸気として蒸発させることにより、含水率が限界含水率又はそれ以上の所定値となるまで前記吸着材を乾燥させる乾燥塔と、
前記乾燥塔から排出された前記吸着材を前記吸着塔へ移送する移送手段とを備えることを特徴としている。

【0014】

また、本発明の別の一態様に係る二酸化炭素分離回収システムは、二酸化炭素の吸着材を用いて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するとともに、二酸化炭素吸着後の前記吸着材を再生する二酸化炭素分離回収システムであって、
所定の吸着温度の前記吸着材で前記被処理ガス中の二酸化炭素を吸着し、二酸化炭素が除去された前記被処理ガスを排出する吸着塔と、
二酸化炭素を吸着した前記吸着材に脱着用水蒸気を凝縮させることにより前記吸着材から二酸化炭素を脱着させる再生塔と、
湿球温度が前記吸着温度である乾燥用ガスで二酸化炭素を脱着した前記吸着材に含まれる凝縮水を水蒸気として蒸発させることにより、前記吸着材の温度が低下し、ほぼ一定となったあと、前記吸着材の温度が上昇する前まで前記吸着材を乾燥させる乾燥塔と、
前記乾燥塔から排出された前記吸着材を前記吸着塔へ移送する移送手段とを備えることを特徴としている。

【0015】

上記二酸化炭素分離回収システムによれば、再生塔でＣＯ_２が脱着されたあとの吸着材は、脱着のための水蒸気の温度近傍まで温度上昇している。この吸着材を乾燥塔で乾燥用ガスと接触させると、吸着材に付着している水分の蒸発に伴って吸着材から熱が奪われて、吸着材の温度は乾燥用ガスの湿球温度である吸着温度まで低下する。吸着温度の吸着材は、乾燥塔から排出されて吸着塔でＣＯ_２の吸着に利用される。上記システムでは、乾燥塔で乾燥した後の吸着材が吸着温度であることから、吸着材を吸着温度まで冷却するための設備（例えば、冷却塔）が不要となり、乾燥塔から排出された吸着材をそのまま吸着塔へ搬入することができるので吸着材の貯蔵設備が不要となる。よって、ＣＯ_２回収と吸着材再生のための設備コストやその設備の運転エネルギーの削減が可能であり、ＣＯ_２回収と吸着材再生のために投入されるエネルギーの更なる削減を実現できる。

【0016】

また、本発明の別の一態様に係る二酸化炭素分離回収システムは、二酸化炭素の吸着材を用いて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するとともに、二酸化炭素吸着後の前記吸着材を再生する二酸化炭素分離回収システムであって、
二酸化炭素を吸着した前記吸着材と脱着用水蒸気とにより移動層が形成され、前記吸着材に前記脱着用水蒸気を凝縮させることにより前記吸着材から二酸化炭素を脱着させる第１の塔と、
前記第１の塔から排出された前記吸着材と前記被処理ガスとにより移動層が形成され、前記吸着材を前記被処理ガスと接触させて前記被処理ガス中の二酸化炭素を当該吸着材に吸着させ、前記吸着材を乾燥用ガスとしての前記被処理ガスと接触させて前記吸着材に凝縮した水蒸気を蒸発させ、含水率が限界含水率又はそれ以上の所定値となった前記吸着材を排出する第２の塔と、
前記第２の塔から前記第１の塔へ、前記吸着材を移送する移送手段とを備えることを特徴としている。

【0017】

また、本発明の別の一態様に係る二酸化炭素分離回収システムは、二酸化炭素の吸着材を用いて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するとともに、二酸化炭素吸着後の前記吸着材を再生する二酸化炭素分離回収システムであって、
二酸化炭素を吸着した前記吸着材と脱着用水蒸気とにより移動層が形成され、前記吸着材に前記脱着用水蒸気を凝縮させることにより前記吸着材から二酸化炭素を脱着させる第１の塔と、
前記第１の塔から排出された前記吸着材と前記被処理ガスとにより移動層が形成され、前記吸着材を前記被処理ガスと接触させて前記被処理ガス中の二酸化炭素を当該吸着材に吸着させ、前記吸着材を乾燥用ガスとしての前記被処理ガスと接触させて前記吸着材に凝縮した水蒸気を蒸発させ、前記吸着材の温度が低下し、ほぼ一定となったあと、前記吸着材の温度が上昇する前の前記吸着材を排出する第２の塔と、
前記第２の塔から前記第１の塔へ、前記吸着材を移送する移送手段とを備えることを特徴としている。

【0018】

上記構成によれば、二酸化炭素分離回収システムが再生塔と、吸着塔と乾燥塔の機能を併せ備えた塔の２つの塔を備えることとなる。設備が簡略化されるので、イニシャルコストやランニングコストや運転エネルギーを削減することができる。

【0019】

本発明の一態様に係る二酸化炭素分離回収方法は、
吸着容器内で、所定の吸着温度の二酸化炭素の吸着材に、二酸化炭素を含有する被処理ガス中の二酸化炭素を吸着させることと、
前記吸着材を脱着用水蒸気と接触させて前記吸着材に前記脱着用水蒸気を凝縮させることにより、前記吸着材から二酸化炭素を脱着させることと、
湿球温度が前記吸着温度である乾燥用ガスを乾燥容器内で前記吸着材と接触させて前記吸着材に含まれる凝縮水を水蒸気として蒸発させることにより、前記吸着材の含水率が限界含水率又はそれ以上の所定値となるまで乾燥した吸着材を前記乾燥容器から排出して前記吸着容器へ搬送することとを含むものである。

【0020】

また、本発明の別の一態様に係る二酸化炭素分離回収方法は、吸着容器内で、所定の吸着温度の二酸化炭素の吸着材に、二酸化炭素を含有する被処理ガス中の二酸化炭素を吸着させることと、
前記吸着材を脱着用水蒸気と接触させて前記吸着材に前記脱着用水蒸気を凝縮させることにより、前記吸着材から二酸化炭素を脱着させることと、
二酸化炭素が脱着した前記吸着材を乾燥容器内で湿球温度が前記吸着温度である乾燥用ガスと接触させることにより、前記吸着材の温度が低下し、ほぼ一定となったあと、前記吸着材の温度が上昇する前まで乾燥した前記吸着材を前記乾燥容器から排出して前記吸着容器へ搬送することとを含むものである。

【0021】

上記二酸化炭素分離回収方法によれば、ＣＯ_２が脱着されたあとの吸着材は、脱着のための水蒸気の温度近傍まで温度上昇している。この吸着材を乾燥用ガスと接触させると、吸着材に付着している水分の蒸発に伴って吸着材から熱が奪われて、吸着材の温度は低下する。したがって、吸着材を冷却するための設備（例えば、冷却塔）が不要となり、乾燥後の吸着材をそのままＣＯ_２吸着に供することができるので吸着材の貯蔵設備が不要となる。よって、ＣＯ_２回収と吸着材再生のための設備コストやその設備の運転エネルギーの削減が可能であり、ＣＯ_２回収と吸着材再生のために投入されるエネルギーの更なる削減を実現できる。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、乾燥後の吸着材を冷却するための設備が不要となり、そのための設備コストやその設備の運転エネルギーの削減が可能である。よって、ＣＯ_２回収のために投入されるエネルギーの更なる削減を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、本発明の第１実施形態に係る二酸化炭素分離回収システムの概略構成を示す図である。

【図2】図２は、乾燥塔の制御構成を示す図である。

【図3】図３は、吸着材温度と乾燥時間の関係を示すグラフである。

【図4】図４は、二酸化炭素分離回収システムで出入する水分量を示す図である。

【図5】図５は、本発明の第２実施形態に係る二酸化炭素分離回収システムの概略構成を示す図である。

【図6】図６は、乾燥熱搬送媒体がＣＯ_２含有ガスの場合と乾燥空気の場合との吸着材の蒸発水分量の時間推移を示すグラフである。

【図7】図７は、本発明の第２実施形態の変形例１に係る二酸化炭素分離回収システムの概略構成を示す図である。

【図8】図８は、本発明の第３実施形態に係る二酸化炭素分離回収システムの概略構成を示す図である。

【図9】図９は、従来の二酸化炭素分離回収システムの全体的な構成を示すブロック図である。

【図10】図１０は、平均含水率と材料温度の経時変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0024】

本発明に係る二酸化炭素分離回収システムは、燃焼排ガス等の被処理ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）の回収と、ＣＯ_２回収に使用された吸着材の再生とを行うシステムである。より詳細には、二酸化炭素分離回収システムでは、被処理ガス中のＣＯ_２を固形二酸化炭素吸着材（以下、単に吸着材という）に吸着させることと、ＣＯ_２を吸着したあとの吸着材からＣＯ_２を脱着して吸着材を再生することと、吸着材から脱着されたＣＯ_２を回収することと、再生された吸着材を乾燥することとが行われる。

【0025】

本発明において使用される吸着材を構成している固体吸着剤は、多孔性物質にアミン化合物を担持させることにより調製し得る。二酸化炭素吸着剤の調製に使用し得る多孔性物質としては、シリカゲル、活性炭、活性アルミナ、金属酸化物などを例示することができる。

【0026】

［第１実施形態］
次に、図面を参照して本発明の第１実施形態を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１００の概略構成を示す図である。図１に示すように、二酸化炭素分離回収システム１００には、吸着材を移動層とする移動層式の吸着塔２、再生塔３及び乾燥塔４、並びにコンベア５が備えられている。本実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１００はセメントプラントに併設されており、セメントプラントのプレヒータボイラから排出される石炭燃焼排ガスを被処理ガスとしている。

【0027】

吸着塔２には、入口２２と出口２３を有する吸着容器２１、被処理ガス供給口２４、及びオフガス排出口２５が少なくとも備えられている。吸着塔２では、コンベア５によって搬送される吸着材を受容することと、吸着材に被処理ガス中のＣＯ_２を吸着させることと、ＣＯ_２が除去された被処理ガス（オフガス）を排出することと、ＣＯ_２を吸着した吸着材を排出することとが行われる。

【0028】

吸着容器２１には、上から下へ移動する移動層を形成している吸着材が収容されている。吸着容器２１の入口２２は、塔頂部に設けられており、ここから吸着容器２１へコンベア５によって所定の速度で吸着材が供給される。吸着容器２１の出口２３は、塔底部に設けられており、ここからＣＯ_２を吸着した吸着材が排出される。被処理ガス供給口２４は、塔下部に設けられており、ここから吸着容器２１へ被処理ガスが供給される。被処理ガス供給口２４はガス供給路１１と接続されており、ガス供給路１１を通じて被処理ガス源１０から吸着塔２へ被処理ガスが送られる。ガス供給路１１には、被処理ガスを所定温度（Ｔｇ[℃]）まで冷却する冷却塔８が設けられている。上記ガス供給路１１、被処理ガス源１０及び冷却塔８等により、吸着塔２へ被処理ガスを供給する被処理ガス供給手段が構成されている。被処理ガスは、その成分や温度に応じた脱硫、脱塵、冷却、除湿などの前処理が吸着塔２へ導入される前に行われていることが望ましい。オフガス排出口２５は、塔上部に設けられており、ここから系外へ被処理ガスからＣＯ_２が除去されたオフガス（ＣＯ_２フリーガス）が排出される。なお、オフガス排出口２５から排出されるオフガスの組成によっては、オフガス排出口２５にフィルタ等の浄化手段が備えられていてもよい。

【0029】

再生塔３は、吸着塔２の直ぐ下方に設けられている。再生塔３には、入口３２と出口３３を有する再生容器３１、水蒸気供給口３４、及び二酸化炭素排出口３５が少なくとも備えられている。再生塔３では、吸着塔２から排出された吸着材を受容することと、吸着材に脱着用水蒸気を凝縮させることにより吸着材からＣＯ_２を脱着させることと、脱着させたＣＯ_２を排出することと、ＣＯ_２の脱着により再生された吸着材を排出することとが行われる。

【0030】

再生容器３１には、吸着塔２から排出された吸着材が収容されており、この吸着材により再生容器３１内を上から下へ移動する移動層が形成されている。再生容器３１では、供給された脱着用水蒸気を吸着材に凝縮させることにより、吸着材からＣＯ_２が脱着し、吸着材が再生される。再生容器３１の入口３２は、塔頂部に設けられており、ここから再生容器３１へ吸着塔２でＣＯ_２を吸着した吸着材が投入される。再生容器３１の出口３３は、塔底部に設けられており、ここから再生された吸着材が排出される。水蒸気供給口３４は、塔下部に設けられており、ここから再生容器３１へ脱着用水蒸気が供給される。水蒸気供給口３４は水蒸気供給路３６と接続されており、水蒸気供給路３６を通じて蒸気発生器９から再生塔３へ脱着用水蒸気が送られる。水蒸気供給路３６には脱着用水蒸気の流量を検出する流量計５６が設けられている。上記水蒸気供給路３６及び蒸気発生器９等により、再生塔３へ脱着用水蒸気を供給する水蒸気供給手段が構成されている。二酸化炭素排出口３５は、塔上部に設けられており、ここから系外へ吸着材から脱着されたＣＯ_２が排出される。二酸化炭素排出口３５は、二酸化炭素回収路３７を介して二酸化炭素ホルダー７と接続されている。二酸化炭素回収路３７に回収ポンプ６が設けられており、この回収ポンプ６で圧縮されたＣＯ_２が二酸化炭素ホルダー７に回収されて貯溜される。上記二酸化炭素回収路３７、回収ポンプ６及び二酸化炭素ホルダー７等により、再生塔３で吸着材から脱着したＣＯ_２を回収するＣＯ_２回収手段が構成されている。

【0031】

乾燥塔４は、再生塔３の直ぐ下方に設けられている。乾燥塔４には、入口４２及び出口４３を有する乾燥容器４１、乾燥用ガス供給口４４、及び高湿度排気ガス出口４５が少なくとも備えられている。乾燥塔４では、再生塔３から排出された吸着材を受容することと、乾燥用ガスで吸着材に含まれる凝縮水を水蒸気として蒸発させることにより、含水率が限界含水率又はそれ以上の所定値となるまで吸着材を乾燥させることと、吸着材を乾燥することにより発生する水蒸気を含む排気ガスを排出することと、乾燥した吸着材を排出することとが行われる。

【0032】

乾燥容器４１には、再生塔３から排出された吸着材が収容されており、この吸着材により乾燥容器４１内を上から下へ移動する移動層が形成されている。乾燥容器４１の入口４２は、塔頂部に設けられており、ここから乾燥容器４１へ再生塔３で再生された吸着材が投入される。乾燥容器４１の出口４３は、塔底部に設けられており、ここから乾燥した吸着材が排出される。乾燥塔４から排出された吸着材は、移送手段であるコンベア５により吸着塔２の入口２２へ搬送される。高湿度排気ガス出口４５は、塔上部に設けられており、ここから水蒸気排出路４９を通じて系外へ排出ガスが排出される。排出ガスは、再生容器３１から吸着材に同伴していた水蒸気や乾燥容器４１で発生した水蒸気を多く含んでいる。なお、水蒸気排出路４９を再生塔３の水蒸気供給口３４と接続して、乾燥塔４の排出ガスを再生塔３の脱着用水蒸気として用いることもできる。この場合、蒸気発生器９が不要となるとともに、脱着用水蒸気が再生塔３と乾燥塔４とを循環するので、ロスする少量の純水を補充するだけで、吸着材によるＣＯ_２の吸着と脱着とを継続することができる。

【0033】

乾燥用ガス供給口４４は、塔下部に設けられており、ここから乾燥容器４１へ乾燥用ガスが供給される。乾燥用ガス供給口４４と乾燥用ガス供給路４６が接続されており、この乾燥用ガス供給路４６を通じて乾燥用ガス源４７から乾燥塔４へ乾燥用ガスが送られる。本実施形態において乾燥用ガス源４７はセメントプラントのエアクエンチングクーラーであって、エアクエンチングクーラーでクリンカと熱交換した高温の乾燥空気が乾燥用ガスとして利用される。エアクエンチングクーラーから排出される高温の乾燥空気は、乾燥塔４の乾燥用ガスが備えるべき温度と比較して低温であるため、高温の乾燥空気を所定温度（Ｔｄ[℃]）まで加熱するバーナーが乾燥用ガス供給路４６に設けられている。さらに、乾燥用ガス供給路４６には、流量調整器４８が設けられている。流量調整器４８は、乾燥容器４１へ供給される乾燥用ガスの流量を調整することができる。上記乾燥用ガス供給路４６、乾燥用ガス源４７及び流量調整器４８等により、乾燥塔４へ乾燥用ガスを供給する乾燥用ガス供給手段が構成されている。

【0034】

乾燥塔４には、温度計５１、含水率計５２、及び水分量計５３の少なくとも１つ、並びに乾燥塔制御装置５５が更に備えられている。温度計５１は、そのプローブが乾燥容器４１の出口４３近傍に設置され、出口４３から排出されようとする吸着材の温度を検出する。なお、温度計５１のプローブを出口４３近傍の複数箇所に設けて、温度計５１が吸着材の平均温度を検出するようにしてもよい。含水率計５２は、そのプローブが乾燥容器４１の出口４３近傍に設置され、出口４３から排出されようとする吸着材の含水率を検出する。なお、含水率計５２のプローブを出口４３近傍の複数箇所に設けて、含水率計５２が吸着材の平均含水率を検出するようにしてもよい。水分量計５３は、高湿度排気ガス出口４５又はこれに接続された水蒸気排出路４９に設けられている。水分量計５３は、高湿度排気ガス出口４５から排出される排気ガス中の水分量を検出する。

【0035】

乾燥塔制御装置５５は、１以上のプロセッサ（図示せず）で構成されている。プロセッサは、１以上のＣＰＵ（Central Processing Unit）の他、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、Ｉ／Ｆ（Interface）、Ｉ／Ｏ（Input/output Port）等を有している（いずれも図示せず）。ＲＯＭには、ＣＰＵが実行するプログラム、各種固定データ等が記憶されている。ＣＰＵが実行するプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、メモリカード等の各種記憶媒体に保存されており、これらの記憶媒体からＲＯＭにインストールされる。ＲＡＭには、プログラム実行時に必要なデータが一時的に記憶される。Ｉ／Ｆは、外部装置（乾燥塔制御装置５５に接続されたパーソナルコンピュータ等）とのデータ送受信を行う。Ｉ／Ｏは、各種センサからの検出信号の入力／出力を行う。プロセッサでは、ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアとＣＰＵ等のハードウェアとが協働することにより、乾燥塔制御装置５５としての機能を実現する処理が行われる。

【0036】

図２は乾燥塔の制御構成を示す図である。図２に示すように、乾燥塔制御装置５５は、乾燥用ガス源４７と電気的に接続されており、乾燥塔４へ供給される乾燥用ガスの温度が所望の温度（Ｔｄ[℃]）となるように乾燥用ガス源４７を制御する。なお、本実施形態では、乾燥塔４へ供給される乾燥用ガスの温度を調整するために、エアクエンチングクーラーから排出される高温空気を加熱するバーナーの火力が乾燥塔制御装置５５により制御される。また、乾燥塔制御装置５５は、流量調整器４８と電気的に接続されており、乾燥塔４へ供給される乾燥用ガスの流量が所望の流量となるように流量調整器４８を制御する。さらに、乾燥塔制御装置５５は、コンベア５と電気的に接続されており、吸着材（移動層）の乾燥塔４での滞留時間が所望の時間となるようにコンベア５を制御する。なお、本実施形態では、吸着塔２、再生塔３及び乾燥塔４が直列的に接続されているので、吸着塔２への吸着材の供給量を増減することにより、乾燥塔４への吸着材の供給量を増減することができる。そして、乾燥塔４への吸着材の供給量を増減して、吸着材（移動層）の移動速度を変化させることにより、吸着材の乾燥塔４での滞留時間を調整することができる。

【0037】

乾燥塔制御装置５５には、温度計５１、含水率計５２、水分量計５３及び流量計５６の各計器からの検出信号が入力される。そして、乾燥塔制御装置５５は、温度計５１、含水率計５２及び水分量計５３の少なくとも１の計測結果に基づいて、乾燥塔４から排出される吸着材の含水率が限界含水率又はそれ以上の所定の値となるように、乾燥用ガスの流量、乾燥用ガスの温度及び吸着材の乾燥塔４での滞留時間のうち少なくとも１つを調整する。

【0038】

続いて、上記構成の二酸化炭素分離回収システム１００による二酸化炭素分離回収方法について説明する。

【0039】

吸着塔２には、ＣＯ_２吸着に好適な温度（以下、吸着温度Ｔａという）の吸着材が所定の供給速度で供給されている。吸着温度Ｔａは２０−８０℃が好適であって、本実施形態ではＴａ＝約４０[℃]である。吸着材が充填された吸着塔２へ、１０−３０％のＣＯ_２を含む常圧近傍の被処理ガスが所定の供給速度で供給される。吸着塔２へ導入される被処理ガスは、冷却塔８で温度Ｔｇ＝約３５[℃]まで冷却されている。移動層である吸着材は、吸着容器２１を上から下へ所定の移動速度で自重により流動し、この間に被処理ガスと接触して被処理ガス中のＣＯ_２を吸着し、出口２３から排出されて再生塔３へ送られる。被処理ガスの供給速度及び吸着材の移動速度は、吸着塔２での滞留時間内にＣＯ_２の吸着が完了するように、また、後述するように、再生塔３での滞留時間内に吸着材の再生が完了し、且つ、乾燥塔４での滞留時間内に吸着材の乾燥が完了するように定められる。

【0040】

再生塔３には、温度がＴｓ[℃]で圧力がＰｓ[ｋＰａ]の脱着用水蒸気が供給されている。温度Ｔｓは４０−１００[℃]が、温度Ｔｓに対応する圧力Ｐｓは７−１０１[ｋＰａ]が、それぞれ好適である。本実施形態の脱着用水蒸気は、温度Ｔｓ＝約６０[℃]、圧力Ｐｓ＝約２０[ｋＰａ]の飽和水蒸気である。このため、再生塔３内の圧力が回収ポンプ６によって約２０[ｋＰａ]に調整されている。移動層である吸着材は、再生容器３１を上から下へ所定の移動速度で自重により流動し、この間に脱着用水蒸気と接触する。吸着材と接触した脱着用水蒸気は吸着材の表面で凝縮し、この際に生じる脱着用水蒸気の凝縮熱がＣＯ_２脱着のエネルギーとして利用される。このような脱着用水蒸気の凝縮によるＣＯ_２の脱着は短時間で完了し、定常状態で再生塔３はほぼ１００％のＣＯ_２で満たされる。吸着材から脱着されたＣＯ_２は、再生塔３から排出され、回収ポンプ６により圧縮され、二酸化炭素ホルダー７に貯留される。一方、ＣＯ_２が脱着されて再生された吸着材は、再生塔３から排出されて乾燥塔４へ送られる。再生塔３で再生された吸着材は、脱着用水蒸気の凝縮水を含んでいる。

【0041】

乾燥塔４には、温度がＴｄ[℃]の乾燥用ガスが所定の供給速度で供給されている。温度Ｔｄは４０−１２０[℃]が好適であり、本実施形態ではＴｄ＝約８０[℃]である。移動層である吸着材は、乾燥容器４１を上から下へ所定の移動速度で自重により流動し、この間に乾燥用ガスと接触する。乾燥用ガスと接触した吸着材に含まれている凝縮水は蒸発して水蒸気となり、この水蒸気を含む排気ガスが高湿度排気ガス出口４５から系外へ排出される。一方、凝縮水の蒸発により乾燥した吸着材は、出口４３から排出され、コンベア５により吸着塔２へ移送され、吸着塔２で再びＣＯ_２を吸着する。

【0042】

上記吸着材の乾燥工程において、吸着材は、定率乾燥期間IIの間であって、その含水率（又は平均含水率）が限界含水率ｗ_ｃ（図１０）又はそれ以上の所定の値となるまで乾燥した状態で乾燥塔４から排出される。吸着材の含水率は、湿っている吸着材の全体の重量に対する、水分の重量の比として表わすことができる。湿っている吸着材の全体の重量をＷ[kg]とし、吸着材の乾燥固体重量をＷ_０[kg]とすると、乾量基準の含水率ｗは次式（１）で表される。
ｗ＝（Ｗ−Ｗ_０）／Ｗ_０ ・・・（１）
また、限界含水率ｗ_ｃは、定率乾燥期間IIから減率乾燥期間IIIに移行するときの含水率である。限界含水率ｗ_ｃは、吸着材の特性に加えて、加熱方式などの外的操作条件によっても変化する。なお、上記「限界含水率ｗ_ｃ以上の所定の値」とは、図１０に示すように、限界含水率ｗ_ｃから当該限界含水率ｗ_ｃに所定の許容値α_Ｗを加えた値（ｗ_ｃ＋α_Ｗ）までの範囲に含まれる値である。許容値α_Ｗは、限界含水率ｗ_ｃに対して安定性や誤差等を見込んで予め定められた値であって、実験的に又は理論的に求められる。

【0043】

図３は、吸着材温度と乾燥時間の関係を示すグラフである。図３に示すように、乾燥塔４で乾燥開始当初の吸着材の温度は、再生塔３へ供給される脱着用水蒸気の温度Ｔｓ（本実施例では、約６０℃）近傍である。吸着材の乾燥が進むにつれて、吸着材に付着している水分の蒸発に伴い吸着材から熱が奪われるので、吸着材の温度は乾燥用ガスの湿球温度まで下がり（予熱期間I）、やがて一定となる（定率乾燥期間II）。定率乾燥期間IIにおいて、吸着材の含水率が限界含水率ｗ_ｃに低下するまでの間は、吸着材へ与えられた熱量は全て水分蒸発に費やされるので、吸着材の温度は乾燥用ガスの湿球温度でほぼ一定である。乾燥塔４では、定率乾燥期間II中に、即ち、減率乾燥期間IIIに入って温度が再び上昇する前に、適正な含水率（限界含水率ｗ_ｃ又はそれ以上の所定の値）で吸着材が排出される。乾燥用ガスは、その湿球温度が吸着温度Ｔａ（本実施形態では約４０℃）となるように被処理ガス源１０を含む被処理ガス供給手段によって温度及び湿度が調整されており、乾燥塔４から排出される乾燥した吸着材の温度は吸着温度Ｔａとなる。

【0044】

ここで、乾燥塔制御装置５５による、乾燥塔４の乾燥条件を調整するための制御について説明する。以下では、〔１〕吸着材の温度に基づく制御、〔２〕吸着材の含水率に基づく制御、〔３〕乾燥塔４から排出される水蒸気中の水分量に基づく制御の、それぞれに分けて説明する。乾燥塔制御装置５５は、基本的にはこれら〔１〕−〔３〕の制御のうちいずれか一つの制御を行うように構成されている。採用された制御に必要のない計器は、二酸化炭素分離回収システム１００から省くことができる。但し、乾燥塔制御装置５５が、〔１〕−〔３〕の制御の２つ以上の組み合わせで乾燥塔４を制御するように構成されていてもよい。

【0045】

〔１〕吸着材の温度に基づく制御
乾燥塔制御装置５５は、乾燥塔４の出口近傍の吸着材の温度（又は平均温度）が所定温度、つまり吸着材の限界含水率ｗ_ｃに対応する温度Ｔ_c（図１０）となるように、乾燥塔４の乾燥条件を調整する。乾燥塔４の出口近傍の吸着材の温度は、温度計５１で検出される。限界含水率ｗ_ｃに対応する温度Ｔ_cは、乾燥用ガスの湿球温度（吸着温度Ｔａ）である。吸着材の温度に基づいて吸着材の含水率を推定する場合、吸着材の温度が限界含水率ｗ_ｃに対応する温度Ｔ_cとなっていても、吸着材の含水率が限界含水率ｗ_ｃまで低下していないことがある。つまり、吸着材の含水率が限界含水率ｗ_ｃよりも高いまま乾燥塔４から排出されることがある。しかし、吸着材は多孔質材料から成り、多孔質材料は定率乾燥期間IIが短い特徴を有することが知られている。よって、吸着材の温度を限界含水率ｗ_ｃに対応する温度Ｔ_cまで低下させることで、吸着材は適正な範囲の含水率で乾燥塔４から排出されることとなる。

【0046】

乾燥塔制御装置５５が制御する乾燥条件は、乾燥用ガスの流量、乾燥用ガスの温度及び吸着材の乾燥塔４での滞留時間の乾燥条件のうち少なくとも一つである。これらの乾燥条件のうちの一つが制御されてもよいが、２つ以上の組み合わせが制御されることにより、より効率的に乾燥塔４の乾燥条件を吸着材の乾燥に適するように調整することができる。

【0047】

乾燥用ガスの流量は、乾燥用ガス供給路４６に設けられた流量調整器４８で調整することができる。流量調整器４８は、例えば、乾燥塔制御装置５５の制御を受けて動作するバルブ、ポンプ及びファンなどの流量調整手段のうちの一つである。図３に示すように、吸着材の温度は、予熱期間Iで徐々に低下し、定率乾燥期間IIで限界含水率ｗ_ｃに対応する温度Ｔ_cでほぼ一定となる。仮に、吸着材を限界含水率ｗ_ｃよりも低い含水率まで乾燥させると、減率乾燥期間IIIに入り吸着材の温度が上昇する。乾燥塔制御装置５５は、吸着材の温度が限界含水率ｗ_ｃに対応する温度Ｔ_cとなったあと上昇する前に、吸着材が乾燥塔４から排出されるように乾燥条件を制御する。具体的には、乾燥塔制御装置５５は、限界含水率ｗ_ｃに対応する温度Ｔ_cよりも高い吸着材の温度が検出されたときは、予熱期間Iであれば乾燥用ガスの流量を増加させ、減率乾燥期間IIIであれば乾燥用ガス流量を低減させるように、流量調整器４８を制御する。

【0048】

乾燥用ガスの温度は、乾燥用ガス源４７で乾燥用ガスの加熱温度を変化させることによって、調整することができる。乾燥塔制御装置５５は、限界含水率ｗ_ｃに対応する温度Ｔ_cよりも高い吸着材の温度が検出されたときは、予熱期間Iであれば乾燥用ガスの温度を上昇させ、減率乾燥期間IIIであれば乾燥用ガスの温度を低下させるように、乾燥用ガス源４７を制御する。

【0049】

吸着材の乾燥塔４での滞留時間は、コンベア５による吸着塔２への吸着材の供給速度を変化させることによって、調整することができる。なお、吸着材の乾燥塔４での滞留時間は、出口４３にバルブを設けて当該バルブの開度を調整して乾燥塔４からの吸着材の排出速度を変化させることによって、調整することもできる。乾燥塔制御装置５５は、限界含水率ｗ_ｃに対応する温度Ｔ_cよりも高い吸着材の温度が検出されたときは、予熱期間Iであれば移動層の移動速度を低下させて吸着材の滞留時間を長くし、減率乾燥期間IIIであれば移動層の移動速度を増大させて吸着材の滞留時間を短くするように、コンベア５を制御する。

【0050】

〔２〕吸着材の含水率に基づく制御
乾燥塔制御装置５５は、含水率計５２で計測された吸着材の含水率（又は平均含水率）が限界含水率ｗ_ｃ（図１０）又はそれ以上の所定の値となると吸着材が乾燥塔４から排出されるように、乾燥塔４の乾燥条件を制御する。ここで、「限界含水率ｗ_ｃ以上の所定の値」とは、図１０に示すように、限界含水率ｗ_ｃから当該限界含水率ｗ_ｃに所定の許容値α_Ｗを加えた値（ｗ_ｃ＋α_Ｗ）までの範囲に含まれる値である。

【0051】

乾燥塔制御装置５５が制御する乾燥条件は、乾燥用ガスの流量、乾燥用ガスの温度及び吸着材の乾燥塔４での滞留時間の乾燥条件のうち少なくとも一つである。乾燥塔制御装置５５は、限界含水率ｗ_ｃ又はそれ以上の所定の値と比較して、高い含水率が検出されたときは乾燥用ガスの流量を増加させ、低い吸着材の含水率が検出されたときは乾燥用ガス流量を低減させるように、流量調整器４８を制御する。また、乾燥塔制御装置５５は、限界含水率ｗ_ｃ又はそれ以上の所定の値と比較して、高い含水率が検出されたときは乾燥用ガスの温度を上昇させ、低い含水率が検出されたときは乾燥用ガスの温度を降下させるように、乾燥用ガス源４７を制御する。また、乾燥塔制御装置５５は、限界含水率ｗ_ｃ又はそれ以上の所定の値と比較して、高い含水率が検出されたときは移動層の移動速度を低下させて吸着材の滞留時間を長くし、低い含水率が検出されたときは移動層の移動速度を増大させて吸着材の滞留時間を短くするように、コンベア５を制御する。

【0052】

〔３〕乾燥塔４から排出される水蒸気中の水分量に基づく制御
乾燥塔制御装置５５は、乾燥塔４からの排出ガスに含まれる水蒸気中の水分量が再生塔３へ脱着用水蒸気として供給される水分量（再生塔３で吸着材に凝縮した水分量）となるように、乾燥塔４の運転を制御する。再生塔３へ脱着用水蒸気として供給される水分量は、水蒸気供給路３６に設けた流量計５６で検出された脱着用水蒸気の流量と、蒸気発生器９で生成された脱着用水蒸気の水分量とに基づいて求められる。また、乾燥塔４から排出される排気ガス中の水分量は水分量計５３で検出される。水分量計５３は、温度センサ、流量センサ、及び湿度センサを少なくとも備えており、これらのセンサの検出値に基づいて乾燥塔４の高湿度排気ガス出口４５から排出される水分量を計測している。

【0053】

図４は、二酸化炭素分離回収システム１００で出入する水分量を示す図である。図４に示すように、吸着材に含まれた状態でａ[t/hour]の水分量が吸着塔２へ供給されており、脱着用水蒸気としてＡ[t/hour]の水分量が再生塔３へ供給されていると、それぞれ仮定する。再生塔３で吸着材に脱着用水蒸気が凝縮するので、再生塔３から排出されて乾燥塔４へ導入される水分量は（ａ＋Ａ）[t/hour]である。吸着塔２へ供給される吸着材と乾燥塔４から排出される吸着材の含水率はいずれも限界含水率又はそれ以上の所定の値であることから、乾燥塔４から吸着材に含まれた状態で排出される水分量はａ[t/hour]である。乾燥塔４から排出ガスとして排出される水分量はＡ[t/hour]となる。上記仮定に基づけば、乾燥塔４から排出ガスとして排出される水分量をＡ[t/hour]とすれば、乾燥塔４から限界含水率の吸着材が排出されることとなる。そこで、乾燥塔制御装置５５は、水分量計５３で検出される水分量が再生塔３へ脱着用水蒸気として供給される水分量となるように、乾燥塔４の乾燥条件を制御する。

【0054】

乾燥塔制御装置５５が制御する乾燥条件は、乾燥用ガスの流量、乾燥用ガスの温度及び吸着材の乾燥塔４での滞留時間の乾燥条件のうち少なくとも一つである。乾燥塔制御装置５５は、再生塔３へ脱着用水蒸気として供給される水分量と比較して、多い水分量が検出されたときは乾燥用ガスの流量を低減させ、少ない水分量が検出されたときは乾燥用ガス流量を増加させるように、流量調整器４８を制御する。また、乾燥塔制御装置５５は、再生塔３へ脱着用水蒸気として供給される水分量と比較して、多い水分量が検出されたときは乾燥用ガスの温度を降下させ、少ない水分量が検出されたときは乾燥用ガスの温度を上昇させるように、乾燥用ガス源４７を制御する。また、乾燥塔制御装置５５は、再生塔３へ脱着用水蒸気として供給される水分量と比較して、多い水分量が検出されたときは移動層の移動速度を増大させて吸着材の滞留時間を短くし、少ない水分量が検出されたときは移動層の移動速度を低下させて吸着材の滞留時間を長くするように、コンベア５を制御する。

【0055】

以上説明した通り、本実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１００の再生塔３では、吸着材からＣＯ_２を脱着させるために、吸着材と水蒸気とを直接的に接触させる方式を採用している。この方式を採用することにより、ＣＯ_２の脱着で水蒸気の潜熱をエネルギーとして得ることができる。水蒸気の潜熱は、水蒸気の顕熱と比較して同量の水分から得られるエネルギーが大きく、吸着材からＣＯ_２を脱着させるために必要な水分量を低減することができる。また、再生塔から水蒸気が排出されないので、従来のように、利用されずに捨てられていた水蒸気エネルギーのロスを抑制することができる。

【0056】

そして、上記二酸化炭素分離回収システムによれば、再生塔でＣＯ_２が脱着されたあとの吸着材は、脱着用水蒸気の温度近傍まで温度上昇している。この吸着材を乾燥塔４で乾燥用ガスと接触させると、吸着材に付着している水分の蒸発に伴って吸着材から熱が奪われて、吸着材の温度は乾燥用ガスの湿球温度である吸着温度Ｔａまで低下する。吸着温度Ｔａの吸着材は、乾燥塔から排出されて吸着塔でＣＯ_２の吸着に利用される。上記システムでは、乾燥塔４で乾燥した後の吸着材が吸着温度Ｔａであることから、吸着材を吸着温度まで冷却するための設備（例えば、冷却塔）が不要となり、乾燥塔４から排出された吸着材をそのまま吸着塔へ搬入することができるので吸着材の貯蔵設備が不要となる。よって、ＣＯ_２回収と吸着材再生のための設備コストやその設備の運転エネルギーの削減が可能であり、ＣＯ_２回収と吸着材再生のために投入されるエネルギーの更なる削減を実現できる。

【0057】

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。図５は、第２実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１０１の概略構成を示す図である。図５に示すように、本実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１０１の第１実施形態からの相違点は、乾燥用ガス源４７が被処理ガス源１０である点であり、他は同じ構成である。なお、本実施形態の説明においては、前述の第１実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

【0058】

第２実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１０１では、乾燥用ガスとして被処理ガスと同じガスを用いている。被処理ガス源１０が乾燥用ガス源４７でもあり、被処理ガス源１０と乾燥塔４の乾燥用ガス供給口４４とが乾燥用ガス供給路４６で接続されている。本実施形態に係る被処理ガスは石炭燃焼排ガスであり、この石炭燃焼排ガスが乾燥用ガスとして乾燥用ガス供給路４６を通じて乾燥塔４へ供給される。

【0059】

石炭燃焼排ガスは、ＣＯ_２含有ガスである。再生塔３で再生された吸着材にＣＯ_２含有ガスを接触させると、一部のＣＯ_２が吸着材に吸着され、その際に吸着熱が発生する。この吸着熱の熱量が、乾燥塔４での吸着材の乾燥のために利用される。図６は、乾燥用ガスとして、乾燥空気と２０％のＣＯ_２含有ガスをそれぞれ別に乾燥塔４へ供給した場合の、吸着材からの蒸発水分量と乾燥時間の関係を示すグラフである。このグラフの縦軸は吸着材からの蒸発水分量であり、横軸は乾燥時間である。なお、乾燥空気とＣＯ_２含有ガスの温度と風量はそれぞれ同じである。図６のグラフからわかるように、乾燥空気を乾燥用ガスとしたときよりも、ＣＯ_２含有ガスを乾燥用ガスとしたときの方が、同じ乾燥時間で多くの水分が蒸発している。このことから、ＣＯ_２含有ガスを乾燥用ガスとすることにより、乾燥空気を乾燥用ガスとする場合と比較して、早い時間で、また、少ない乾燥用ガスの風量で吸着材を乾燥させることが可能となる。

【0060】

以上の通り、第２実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１０１では、乾燥塔４において、被処理ガスに含まれるＣＯ_２が吸着材に吸着されることにより生じる吸着熱の熱量を、吸着材の乾燥のために利用できる。加えて、乾燥用ガスを生成するための機器（ダクトバーナなど）や燃料が不要となる。よって、乾燥用ガスとして乾燥空気を用いる場合と比較して、吸着材を乾燥させるためのエネルギーを削減することができ、乾燥塔４及びその周辺機器（配管など）を小規模化又は削除することができる。また、被処理ガス中の一部のＣＯ_２が乾燥塔４の吸着材に吸着され、残りのＣＯ_２が吸着塔２の吸着材に吸着されることとなる。このため、乾燥用ガスとして乾燥空気を用いる場合と比較して、吸着塔２で吸着すべきＣＯ_２量が減少するので吸着塔２を小規模化することができ、ひいてはシステム全体を小規模化することができる。

【0061】

［変形例１］
次に、上記第２実施形態の変形例１を説明する。図７は本発明の第２実施形態の変形例１に係る二酸化炭素分離回収システム１０１Ａの概略構成を示す図である。図７に示すように、変形例１に係る二酸化炭素分離回収システム１０１Ａでは、乾燥塔４の高湿度排気ガス出口４５と、吸着塔２の被処理ガス供給口２４とが、ガス供給路１１で接続されている。そして、ガス供給路１１には、冷却塔８が設けられている。上記構成により、乾燥塔４から排出された排気ガスが、冷却塔８で所定の温度Ｔｇ[℃]まで冷却されてから、吸着塔２へ被処理ガスとして供給される。

【0062】

変形例１に係る二酸化炭素分離回収システム１０１Ａでは、被処理ガスに含まれるＣＯ_２が、乾燥塔４と吸着塔２とにおいて吸着材に吸着される。被処理ガスの流れに沿って説明すると、まず、乾燥塔４の吸着材により被処理ガス中のＣＯ_２が吸着され、次いで、吸着塔２の吸着材により被処理ガス中のＣＯ_２が吸着される。なお、吸着材のＣＯ_２吸着量は温度が高いほど低いことがわかっており、乾燥塔４よりも吸着塔２でより多くの被処理ガス中のＣＯ_２が除去される。以上の通り、第１及び第２実施形態と比較して、変形例１に係る二酸化炭素分離回収システム１００では、吸着塔２で除去せねばならないＣＯ２の量が減るので、吸着塔２を小規模化することができる。

【0063】

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態を説明する。図８は本発明の第３実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１０１Ｂの概略構成を示す図である。図８に示すように、第３実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１０１Ｂでは、前述の第２実施形態に係る二酸化炭素分離回収システムに対し、乾燥塔４の乾燥容器４１が拡張されるとともに、吸着塔２が省略されている。この二酸化炭素分離回収システム１０１Ｂでは、乾燥塔４が第１実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１００の吸着塔２としての機能を併せ備えている。

【0064】

本実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１０１Ｂでは、乾燥塔４から排出された吸着材は、吸着塔２を介さずに再生塔３へ搬入される。再生塔３で再生された吸着材は、乾燥塔４へ供給される。乾燥塔４には被処理ガス源１０から被処理ガスである石炭燃焼排ガスが供給されており、この被処理ガスに含まれるＣＯ_２が乾燥塔４の吸着材に吸着され、ＣＯ_２が除去されたオフガスが高湿度排気ガス出口４５から水蒸気とともに放出される。一方で、乾燥塔４に供給された被処理ガスは乾燥用ガスとして機能し、第１実施形態で説明した通り、乾燥塔４の吸着材は限界水分率まで乾燥されたのち乾燥塔４から排出される。

【0065】

本実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１０１Ｂは再生塔と、吸着塔の乾燥塔の機能を併せ備えた塔のとの２つの塔を備えている。したがって、第１実施形態並びに第２実施形態及びその変形例１と比較して、吸着塔２及びその周辺設備が省略され設備が全体として簡略化されるので、イニシャルコストやランニングコストや運転エネルギーを削減することができる。

【0066】

以上に本発明の好適な実施の形態（第１〜３実施形態）及びその変形例（変形例１）を説明したが、上記の構成は以下のように変更することができる。

【0067】

上述の二酸化炭素分離回収システムは、吸着材を移動層とする移動層式の処理塔（吸着塔２、再生塔３及び乾燥塔４）を採用している。但し、二酸化炭素分離回収システムは、例えば、バッチ式の処理塔を用いて構成されていてもよい。各処理塔をバッチ式とする場合には、吸着塔２、再生塔３および乾燥塔４の各下部にバルブ又はシャッターなどの開閉部材を設け、各処理塔での処理が終了するとこれらの開閉部材を開閉して、吸着材を１バッチずつ吸着材を下方の処理塔へ移動させる。この場合、吸着材の温度を検出する温度計５１のプローブ、吸着材の含水率を検出する含水率計５２のプローブが、乾燥容器４１の出口近傍ではなく、乾燥容器４１中の乾燥用空気の流路の最も下流部分に設けられたり、乾燥容器４１中に複数が分散して設けられたりすることが望ましい。

【0068】

また、例えば、上述の二酸化炭素分離回収システムは固定層式の処理塔を用いて構成されていてもよい。固定層式の処理塔を用いる場合には、一つの処理容器に、被処理ガスを供給するための配管、ＣＯ_２が除去されたオフガスを排出するための配管、脱着用水蒸気を供給するための配管、吸着材から脱着されたＣＯ_２を排出するための配管、乾燥用ガスを供給するための配管、及び、水蒸気を含む排気ガスを排出するための配管の各々を接続し、各配管と処理塔との流体（気体）の流通の接続と遮断とを切り替える弁を設ける。この場合、吸着材の温度を検出する温度計５１のプローブ、吸着材の含水率を検出する含水率計５２のプローブが、処理容器の出口近傍ではなく、処理容器中の乾燥用空気の流路の最も下流部分に設けられたり、処理容器中に複数が分散して設けられたりすることが望ましい。

【0069】

また、例えば、上述の二酸化炭素分離回収システムはセメントプラントに併設されておりプレヒータボイラの石炭燃焼排ガスを処理するシステムとしているが、本発明はこれに限定されず、ＣＯ_２を含むガスからＣＯ_２を分離・回収するシステムに広く適用することができる。

【符号の説明】

【0070】

１００，１０１ 二酸化炭素分離回収システム
２ 吸着塔
２１ 吸着容器
２２ 入口
２３ 出口
２４ 被処理ガス供給口
２５ オフガス排出口
３ 再生塔
３１ 再生容器
３２ 入口
３３ 出口
３４ 水蒸気供給口
３５ 二酸化炭素排出口
３６ 水蒸気供給路
３７ 二酸化炭素回収路
４ 乾燥塔
４１ 乾燥容器
４２ 入口
４３ 出口
４４ 乾燥用ガス供給口
４５ 高湿度排気ガス出口
４６ 乾燥用ガス供給路
４７ 乾燥用ガス源
４８ 流量調整器
４９ 水蒸気排出路
５ コンベア
６ 回収ポンプ
７ 二酸化炭素ホルダー
８ 冷却塔
９ 蒸気発生器
１０ 被処理ガス源
１１ 被処理ガス供給路

【要約】

二酸化炭素分離回収システムが、吸着材で被処理ガス中の二酸化炭素を吸着し、二酸化炭素が除去された被処理ガスを排出し、二酸化炭素を吸着した吸着材を排出する吸着塔２と、吸着塔２から排出された吸着材を受容し、該吸着材に脱着用水蒸気を凝縮させることにより吸着材から二酸化炭素を脱着させた後、吸着材を排出する再生塔３と、再生塔３から排出された吸着材を受容し、乾燥用ガスで吸着材に含まれる凝縮水を水蒸気として蒸発させることにより、含水率が限界含水率又はそれ以上の所定値となるまで乾燥した吸着材を排出する乾燥塔４とを備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】