(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024163895
(43)【公開日】2024-11-22
(54)【発明の名称】二酸化炭素回収装置および二酸化炭素回収方法
(51)【国際特許分類】
B01D 53/06 20060101AFI20241115BHJP
B01D 53/26 20060101ALI20241115BHJP
B01D 53/62 20060101ALI20241115BHJP
B01D 53/83 20060101ALI20241115BHJP
【ＦＩ】
B01D53/06 100
B01D53/26 100
B01D53/26 220
B01D53/62 ZAB
B01D53/83
B01D53/62
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024077487
(22)【出願日】2024-05-10
(31)【優先権主張番号】P 2023079385
(32)【優先日】2023-05-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000000284
【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001818
【氏名又は名称】弁理士法人Ｒ＆Ｃ
(72)【発明者】
【氏名】大塚 浩文
【テーマコード（参考）】
4D002
4D012
4D052
【Ｆターム（参考）】
4D002AA09
4D002AC01
4D002AC10
4D002BA02
4D002BA03
4D002BA04
4D002CA05
4D002DA31
4D002DA41
4D002DA45
4D002DA46
4D002EA02
4D002EA08
4D002FA01
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4D002GB03
4D012BA01
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4D012BA03
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4D012CA03
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4D012CC05
4D012CD01
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4D012CG03
4D012CH04
4D012CH05
4D012CH06
4D012CJ02
4D012CJ05
4D052AA02
4D052BA03
4D052CB00
4D052DA03
4D052DB01
4D052HA01
4D052HA03
(57)【要約】
【課題】経済的に有利な方法で、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得ることができる二酸化炭素回収装置を提供する。
【解決手段】吸着ゾーン１１、予熱ゾーン１３、再生ゾーン１４および予冷ゾーン１５に区分され、二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材を含有するハニカムローター１と、吸着ゾーン１１に空気を送入する空気供給部１０と、予熱ゾーン１３に予熱用ガスを送入してハニカムローター１を加熱する予熱部１３０と、再生ゾーン１４に再生用ガスを送入し、ハニカムローター１から二酸化炭素を脱離させて二酸化炭素を分離する再生部１４０と、予冷ゾーン１５に予冷用ガスを送入し、ハニカムローター１を冷却する予冷部１５０と、予熱部１３０および再生部１４０の少なくとも一方が有する酸素除去手段１３５とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】吸着ゾーン１１、予熱ゾーン１３、再生ゾーン１４および予冷ゾーン１５に区分され、二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材を含有するハニカムローター１と、吸着ゾーン１１に空気を送入する空気供給部１０と、予熱ゾーン１３に予熱用ガスを送入してハニカムローター１を加熱する予熱部１３０と、再生ゾーン１４に再生用ガスを送入し、ハニカムローター１から二酸化炭素を脱離させて二酸化炭素を分離する再生部１４０と、予冷ゾーン１５に予冷用ガスを送入し、ハニカムローター１を冷却する予冷部１５０と、予熱部１３０および再生部１４０の少なくとも一方が有する酸素除去手段１３５とを備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材を含有し、二酸化炭素を含有する空気が供給されるハニカムローターと、
前記ハニカムローターを、その回転方向に沿って、吸着ゾーン、予熱ゾーン、再生ゾーンおよび予冷ゾーンに区分する流路区分手段と、
前記吸着ゾーンの入口側に、二酸化炭素を含有する０℃以上４０℃以下の空気を送入し、二酸化炭素濃度が低下した空気を出口側から流出させるための空気送入手段を有する空気供給部と、
前記予熱ゾーンの入口側に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予熱用ガスを送入し、前記ハニカムローターを加熱するとともに、前記予熱ゾーンの出口側から流出した気体を循環利用するための、予熱用加熱手段および予熱用ガス循環手段を有する予熱部と、
前記再生ゾーンの入口側に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い再生用ガスを送入し、前記ハニカムローターから二酸化炭素を脱離させるとともに、前記再生ゾーンの出口側から流出した二酸化炭素濃度の高まった二酸化炭素富化ガスから二酸化炭素を分離し、循環利用するための、二酸化炭素分離手段、再生用加熱手段および再生用ガス循環手段を有する再生部と、
前記予冷ゾーンの入口側に、０℃以上６０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予冷用ガスを送入し、前記ハニカムローターを冷却するとともに、前記予冷ゾーンの出口側から流出した前記予冷用ガスを循環利用するための、冷却手段および予冷用ガス循環手段を有する予冷部と、
前記予熱部および前記再生部の少なくとも一方が有する酸素除去手段と、を備えた二酸化炭素回収装置。
前記ハニカムローターを、その回転方向に沿って、吸着ゾーン、予熱ゾーン、再生ゾーンおよび予冷ゾーンに区分する流路区分手段と、
前記吸着ゾーンの入口側に、二酸化炭素を含有する０℃以上４０℃以下の空気を送入し、二酸化炭素濃度が低下した空気を出口側から流出させるための空気送入手段を有する空気供給部と、
前記予熱ゾーンの入口側に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予熱用ガスを送入し、前記ハニカムローターを加熱するとともに、前記予熱ゾーンの出口側から流出した気体を循環利用するための、予熱用加熱手段および予熱用ガス循環手段を有する予熱部と、
前記再生ゾーンの入口側に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い再生用ガスを送入し、前記ハニカムローターから二酸化炭素を脱離させるとともに、前記再生ゾーンの出口側から流出した二酸化炭素濃度の高まった二酸化炭素富化ガスから二酸化炭素を分離し、循環利用するための、二酸化炭素分離手段、再生用加熱手段および再生用ガス循環手段を有する再生部と、
前記予冷ゾーンの入口側に、０℃以上６０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予冷用ガスを送入し、前記ハニカムローターを冷却するとともに、前記予冷ゾーンの出口側から流出した前記予冷用ガスを循環利用するための、冷却手段および予冷用ガス循環手段を有する予冷部と、
前記予熱部および前記再生部の少なくとも一方が有する酸素除去手段と、を備えた二酸化炭素回収装置。
【請求項2】
前記予熱部は、前記予熱ゾーンの循環経路上に前記予熱用ガス中の水蒸気濃度を低減させるための水分除去手段を有する請求項１に記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項3】
予熱工程で前記予熱ゾーンに送入される前記予熱用ガスと再生工程で前記再生ゾーンに送入される前記再生用ガスとの水蒸気分圧の差を駆動力として当該予熱用ガスから当該再生用ガスに水蒸気を移動させる水蒸気輸送手段を備える請求項１に記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項4】
前記流路区分手段は、前記ハニカムローターを、その回転方向に沿って、前記吸着ゾーン、エアパージゾーン、前記予熱ゾーン、前記再生ゾーン、前記予冷ゾーンおよび低酸素濃度ガス回収ゾーンに区分し、
前記エアパージゾーンと前記低酸素濃度ガス回収ゾーンとの間でガスを循環させる低酸素濃度ガス循環部を備える請求項１～３のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収装置。
前記エアパージゾーンと前記低酸素濃度ガス回収ゾーンとの間でガスを循環させる低酸素濃度ガス循環部を備える請求項１～３のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項5】
二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材を含有するハニカムを用い、
前記ハニカムに、二酸化炭素を含有する０℃以上４０℃以下の空気を送入して、前記ハニカムに二酸化炭素を吸着させるとともに、前記ハニカムから二酸化炭素濃度が低下した空気を流出させる空気供給工程と、
前記空気供給工程を終えた前記ハニカムに、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予熱用ガスを送入するとともに、前記ハニカムから流出した前記予熱用ガスを加熱して、循環利用しながら前記ハニカムを６０℃以上１２０℃以下に予熱する予熱工程と、
前記予熱工程を終えた前記ハニカムに、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い再生用ガスを送入し、前記ハニカムから二酸化炭素を脱離させ、前記ハニカムから流出した二酸化炭素濃度の高まった二酸化炭素富化ガスから二酸化炭素を分離するとともに、二酸化炭素を分離した後のガスを加熱して、前記再生用ガスとして循環利用しながら前記ハニカムから二酸化炭素を回収して、再生する再生工程と、
前記再生工程を終えた前記ハニカムに、０℃以上６０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予冷用ガスを送入するとともに、前記ハニカムから流出した前記予冷用ガスを冷却して、循環利用しながら前記ハニカムを６０℃以下に冷却する予冷工程と、をこの順序で繰り返すとともに、前記予熱工程および前記再生工程の少なくとも一方において、循環するガスから酸素を除去する操作を行う、二酸化炭素回収方法。
前記ハニカムに、二酸化炭素を含有する０℃以上４０℃以下の空気を送入して、前記ハニカムに二酸化炭素を吸着させるとともに、前記ハニカムから二酸化炭素濃度が低下した空気を流出させる空気供給工程と、
前記空気供給工程を終えた前記ハニカムに、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予熱用ガスを送入するとともに、前記ハニカムから流出した前記予熱用ガスを加熱して、循環利用しながら前記ハニカムを６０℃以上１２０℃以下に予熱する予熱工程と、
前記予熱工程を終えた前記ハニカムに、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い再生用ガスを送入し、前記ハニカムから二酸化炭素を脱離させ、前記ハニカムから流出した二酸化炭素濃度の高まった二酸化炭素富化ガスから二酸化炭素を分離するとともに、二酸化炭素を分離した後のガスを加熱して、前記再生用ガスとして循環利用しながら前記ハニカムから二酸化炭素を回収して、再生する再生工程と、
前記再生工程を終えた前記ハニカムに、０℃以上６０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予冷用ガスを送入するとともに、前記ハニカムから流出した前記予冷用ガスを冷却して、循環利用しながら前記ハニカムを６０℃以下に冷却する予冷工程と、をこの順序で繰り返すとともに、前記予熱工程および前記再生工程の少なくとも一方において、循環するガスから酸素を除去する操作を行う、二酸化炭素回収方法。
【請求項6】
前記予熱工程において、循環するガスから水蒸気を除去する操作を行う、請求項５に記載の二酸化炭素回収方法。
【請求項7】
前記予熱工程で前記ハニカムに送入される前記予熱用ガスと前記再生工程で前記ハニカムに送入される前記再生用ガスとの水蒸気分圧の差を駆動力として、前記予熱用ガスから前記再生用ガスに水蒸気を移動させる操作を行う、請求項５に記載の二酸化炭素回収方法。
【請求項8】
前記再生工程で前記ハニカムに送入される前記再生用ガスの相対湿度が、前記予熱工程で前記ハニカムに送入される前記予熱用ガスの相対湿度よりも高くなるよう、前記再生工程で前記ハニカムに送入される前記再生用ガスに水蒸気を添加する操作を行う、請求項５に記載の二酸化炭素回収方法。
【請求項9】
前記空気供給工程を終えたハニカム流路内の空気の少なくとも一部を、前記予冷工程を終えたハニカム流路内のガスと交換するエアパージ工程と、
前記予冷工程を終えたハニカム流路内のガスの少なくとも一部を、前記空気供給工程を終えたハニカム流路内のガスと交換する低酸素濃度ガス回収工程と、を含む、請求項５～８のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収方法。
前記予冷工程を終えたハニカム流路内のガスの少なくとも一部を、前記空気供給工程を終えたハニカム流路内のガスと交換する低酸素濃度ガス回収工程と、を含む、請求項５～８のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得るための二酸化炭素回収装置および二酸化炭素回収方法に関する。
【背景技術】
【0002】
化石燃料の燃焼に伴い放出された二酸化炭素による地球温暖化が問題となっており、化石燃料の燃焼に伴う二酸化炭素の大気中への放出を抑制することが急務となっている。一方で、化石燃料の利用が、技術的あるいは経済的に避けられない用途も存在することから、大気中の二酸化炭素を回収する直接空気回収（Ｄｉｒｅｃｔ Ａｉｒ Ｃａｐｔｕｒｅ）技術への期待が高まっている。
【0003】
二酸化炭素は、水素と反応させてメタンなどの炭化水素に変換することができる。この際、水素の製造を太陽光発電や風力発電のような再生可能エネルギー由来の電力を用いて行うとともに、二酸化炭素は大気から回収したものを利用することとすれば、得られた炭化水素は、燃焼利用しても、燃料の製造から利用までの過程を通算して、大気中の二酸化炭素濃度を増加させることがないので、カーボンニュートラルな炭化水素となる。
【0004】
燃焼排ガスからの二酸化炭素の回収技術は公知である。燃焼排ガスをアミン化合物の水溶液と接触させて、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素の大部分を除去するとともに、二酸化炭素を吸収したアミン水溶液を加熱して、体積基準で９９％以上の二酸化炭素を含む高純度の二酸化炭素を回収するアミン吸収法二酸化炭素除去設備は、石炭火力発電所排ガスからの二酸化炭素回収設備として実用化されている。
【0005】
アミン吸収法は、高純度（例えば９９．５％以上）の二酸化炭素を回収できることから、回収した二酸化炭素を燃料などの原料とする際には有利である。一方で、燃焼排ガスからアミン水溶液に二酸化炭素を回収する際には、二酸化炭素分子は気液界面を通過することになり、効率的な二酸化炭素回収を行うには、気液の接触を促進する必要がある。そこで、接触面積を高めるための充填物を充填した充填塔の上部からアミン水溶液を流下させ、下部から上部に燃焼排ガスを流通して、向流接触させる方法が一般的に採用されているが、この方法ではガスの圧力損失が高くなるという問題がある。
【0006】
大気に含まれる二酸化炭素（約４００ｐｐｍ）の回収では、燃焼排ガス（通常４％～１３％程度）と比較して、同じ量の二酸化炭素を回収するために処理すべきガスの量が１００～３００倍となるため、ガスの圧力損失が高くなるアミン吸収法の利用は現実的ではない。
【0007】
固体状の二酸化炭素吸着材が知られている（非特許文献１）。このような固体吸着材をハニカム状の担体に担持した二酸化炭素吸着体を用いると、圧力損失を抑制しながら、短時間に多量のガスを処理することができる。固体吸着材は、低温で二酸化炭素を吸着し、高温で二酸化炭素を脱離するので、低温で二酸化炭素を含む大気を流通すると、固体吸着材に二酸化炭素が吸着され、これに高温の再生用ガスを流通すると、二酸化炭素が脱離して、二酸化炭素濃度の高まったガスが得られる。
【0008】
ハニカム状の担体を円盤状のハニカムローターとして形成し、その回転により吸着部と再生部を繰り返し移動するように構成し、連続的に大気に含まれる二酸化炭素の吸着と、再生用ガスによる再生を行うことができる二酸化炭素の濃縮装置も知られている（特許文献１～３）。
【0009】
固体の二酸化炭素吸着材として、シリカや活性炭などの多孔質担体に、分子量の大きいアミン、例えばポリエチレンイミンなどを担持した吸着材、あるいは弱塩基性陰イオン交換樹脂などが知られており、これらの固体吸着材は、大気中の希薄な二酸化炭素でも吸着することが可能である。一方で、これらの吸着材から、常圧の下で、１２０℃程度よりも低い温度で、高純度の二酸化炭素を回収することは、吸着の熱力学的制約により、通常不可能である。
【0010】
二酸化炭素吸着材は、高温で高濃度の酸素を含む雰囲気では、酸化劣化が進行する。特に、アミン系の吸着剤や弱塩基性陰イオン交換樹脂は、空気中１２０℃以上では速やかに劣化する。従って、特許文献１～３に記載の方法では、大気中の希薄な二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得ることは困難である。
【0011】
特許文献４は、ガス状二酸化炭素および二酸化炭素と異なるガスを含むガス混合物から、ガス状二酸化炭素を吸着する吸着材を用いた循環式吸着／脱着により、二酸化炭素を分離する方法を開示している。
【0012】
具体的には、吸着材を伴う吸着構造体を含むユニットを使用し、ユニットは４００ｍｂａｒ ａｂｓ以下の真空圧力に排気可能であり、吸着構造体は少なくともガス状二酸化炭素を脱着するために少なくとも８０℃の温度まで加熱可能であり、ユニットはガス混合物の貫流と、吸着工程において吸着材をそれと接触させるために解放可能であり、以下の順序およびこの順序に繰り返す工程からなる方法であって、
（ａ）吸着工程において、ガス混合物を吸着材に接触させ、少なくともガス状二酸化炭素を０．８～１．１ｂａｒ ａｂｓの範囲の周囲大気圧条件と－４０～６０℃の範囲の周囲大気温度条件のもとで吸着材上に吸着させ、
（ｂ）脱離工程において、ユニットを２０～４００ｍｂａｒ ａｂｓの範囲の圧力に排気し、ユニット中の吸着材を８０～１３０℃の範囲の温度に加熱し、少なくともユニットから脱離したガス状二酸化炭素を抽出し、ユニットの中又は下流で凝縮によってガス状二酸化炭素を水から分離し、
（ｃ）吸着材を工程（ｂ）の圧力で周囲大気温度条件以上の温度に強制的に冷却し、周囲大気圧条件にユニットを再加圧し、
工程（ｂ）で蒸気をユニットに注入し、貫流させ、ユニットの圧力レベルにおいて、飽和蒸気又は１３０℃までの過熱蒸気温度の過熱蒸気の条件のもとで吸着材に接触させ、全工程（ｂ）中に注入された蒸気の全工程（ｂ）中に放出されたガス状二酸化炭素に対するモル比が４０：１より少ない方法である。
（ａ）吸着工程において、ガス混合物を吸着材に接触させ、少なくともガス状二酸化炭素を０．８～１．１ｂａｒ ａｂｓの範囲の周囲大気圧条件と－４０～６０℃の範囲の周囲大気温度条件のもとで吸着材上に吸着させ、
（ｂ）脱離工程において、ユニットを２０～４００ｍｂａｒ ａｂｓの範囲の圧力に排気し、ユニット中の吸着材を８０～１３０℃の範囲の温度に加熱し、少なくともユニットから脱離したガス状二酸化炭素を抽出し、ユニットの中又は下流で凝縮によってガス状二酸化炭素を水から分離し、
（ｃ）吸着材を工程（ｂ）の圧力で周囲大気温度条件以上の温度に強制的に冷却し、周囲大気圧条件にユニットを再加圧し、
工程（ｂ）で蒸気をユニットに注入し、貫流させ、ユニットの圧力レベルにおいて、飽和蒸気又は１３０℃までの過熱蒸気温度の過熱蒸気の条件のもとで吸着材に接触させ、全工程（ｂ）中に注入された蒸気の全工程（ｂ）中に放出されたガス状二酸化炭素に対するモル比が４０：１より少ない方法である。
【0013】
この文献の方法では、二酸化炭素を吸着した吸着材を、８０℃から１３０℃の範囲の温度に加熱することに加えて、２０～４００ｍｂａｒ ａｂｓ（約０．０２気圧～０．４気圧）まで減圧し、さらに過熱蒸気を共存させることにより二酸化炭素の分圧を下げる効果も併用して二酸化炭素の脱離を行っている。また、減圧排気により酸素濃度が低下することから、脱離工程における吸着材の熱劣化も抑制することができる。
【0014】
しかし、過熱蒸気を併用して二酸化炭素の脱離を行うには、多量の蒸気が必要になり、二酸化炭素回収に必要なエネルギーが増大する問題がある。
【0015】
また、減圧下で二酸化炭素を脱離させる場合、減圧に耐える容器内で二酸化炭素の脱離を行う必要があることから、設備コストが増大する問題があるほか、空気の漏れ込みにより、回収される二酸化炭素の濃度が低下することが避けがたい。
【0016】
特許文献５には、二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材を含有し、二酸化炭素を含有する空気が供給される吸着ローターと、前記吸着ローターに６０℃以上１２０℃以下の再生用ガスを供給する再生用ガス供給部と、前記吸着ローターを通過した前記再生用ガスからアミン吸収法によって二酸化炭素を分離して回収する二酸化炭素回収部と、を備えるとともに、前記二酸化炭素回収部で二酸化炭素が分離された前記再生用ガスが前記再生用ガス供給部に送入されて循環利用されるように構成され、前記再生用ガスの循環経路内に、前記再生用ガスに含まれる酸素の濃度を低減するための酸素除去部を備える二酸化炭素回収装置が開示されている。
【0017】
この構成によれば、大量の空気を圧力損失の低い吸着ローターで処理して、再生用ガス中の二酸化炭素濃度を高めたのちに、アミン吸収法を利用する二酸化炭素分離部で二酸化炭素を回収することから、大量の空気を効率的に処理しつつ、高純度の二酸化炭素を回収することができる。加えて、再生用ガスの酸素濃度が空気中の酸素濃度よりも低く保たれることから、再生用ガスの温度が高い場合でも、吸着材の熱劣化が抑制できる。
【0018】
しかし、この方法で、吸着材の熱劣化を十分に抑制するだけの酸素除去を行うために、例えば水素を添加して、水素と酸素の反応により酸素を除去する場合、比較的多量の水素を要することから、より経済的に有利な方法が求められている。また、この方法では、再生工程で接触させる再生用ガスの酸素濃度は低減されているものの、再生工程が終了した後は、吸着ローターが６０℃以上１２０℃以下の比較的高い温度を保ったまま、通常の酸素濃度の空気に接触するため、吸着材の熱劣化が完全には抑制できない懸念もある。
【0019】
以上をまとめると、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得るための二酸化炭素回収装置および二酸化炭素回収方法はなお改善すべき点があるのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0020】
【特許文献1】特許第５８７７９２２号公報
【特許文献2】特開２０１６－１７５０１４号公報
【特許文献3】特開２０１７－１５４０６３号公報
【特許文献4】特許第６６２２３０２号公報
【特許文献5】特開２０２３－４５５７０号公報
【非特許文献】
【0021】
【非特許文献1】Ｃ．Ｗ．Ｊｏｎｅｓほか、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗｓ、１１６巻、１１８４０－１１８７６頁（２０１６年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0022】
本発明が解決しようとする課題は、以上の問題に鑑み、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得るための経済的に優れた二酸化炭素回収装置および二酸化炭素回収方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0023】
上記課題を解決するために、本発明は、
二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材を含有し、二酸化炭素を含有する空気が供給されるハニカムローターと、
前記ハニカムローターを、その回転方向に沿って、吸着ゾーン、予熱ゾーン、再生ゾーンおよび予冷ゾーンに区分する流路区分手段と、
前記吸着ゾーンの入口側に、二酸化炭素を含有する０℃以上４０℃以下の空気を送入し、二酸化炭素濃度が低下した空気を出口側から流出させるための空気送入手段を有する空気供給部と、
前記予熱ゾーンの入口側に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予熱用ガスを送入し、前記ハニカムローターを加熱するとともに、前記予熱ゾーンの出口側から流出した気体を循環利用するための、予熱用加熱手段および予熱用ガス循環手段を有する予熱部と、
前記再生ゾーンの入口側に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い再生用ガスを送入し、前記ハニカムローターから二酸化炭素を脱離させるとともに、前記再生ゾーンの出口側から流出した二酸化炭素濃度の高まった二酸化炭素富化ガスから二酸化炭素を分離し、循環利用するための、二酸化炭素分離手段、再生用加熱手段および再生用ガス循環手段を有する再生部と、
前記予冷ゾーンの入口側に、０℃以上６０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予冷用ガスを送入し、前記ハニカムローターを冷却するとともに、前記予冷ゾーンの出口側から流出した予冷用ガスを循環利用するための、冷却手段および予冷用ガス循環手段を有する予冷部と、
前記予熱部および前記再生部の少なくとも一方が有する酸素除去手段と、を備えた二酸化炭素回収装置を提供する。
二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材を含有し、二酸化炭素を含有する空気が供給されるハニカムローターと、
前記ハニカムローターを、その回転方向に沿って、吸着ゾーン、予熱ゾーン、再生ゾーンおよび予冷ゾーンに区分する流路区分手段と、
前記吸着ゾーンの入口側に、二酸化炭素を含有する０℃以上４０℃以下の空気を送入し、二酸化炭素濃度が低下した空気を出口側から流出させるための空気送入手段を有する空気供給部と、
前記予熱ゾーンの入口側に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予熱用ガスを送入し、前記ハニカムローターを加熱するとともに、前記予熱ゾーンの出口側から流出した気体を循環利用するための、予熱用加熱手段および予熱用ガス循環手段を有する予熱部と、
前記再生ゾーンの入口側に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い再生用ガスを送入し、前記ハニカムローターから二酸化炭素を脱離させるとともに、前記再生ゾーンの出口側から流出した二酸化炭素濃度の高まった二酸化炭素富化ガスから二酸化炭素を分離し、循環利用するための、二酸化炭素分離手段、再生用加熱手段および再生用ガス循環手段を有する再生部と、
前記予冷ゾーンの入口側に、０℃以上６０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予冷用ガスを送入し、前記ハニカムローターを冷却するとともに、前記予冷ゾーンの出口側から流出した予冷用ガスを循環利用するための、冷却手段および予冷用ガス循環手段を有する予冷部と、
前記予熱部および前記再生部の少なくとも一方が有する酸素除去手段と、を備えた二酸化炭素回収装置を提供する。
【0024】
この構成によれば、吸着材の再生過程において、予熱工程、再生工程、予冷工程を通じ、ハニカムローターに送入されるガスの酸素濃度が空気よりも低く維持される。そのため、吸着材が高い温度、例えば６０℃以上の条件で、酸素濃度の高いガスにさらされることが回避され、その結果として吸着材の劣化が抑制される。したがって、劣化した吸着材の交換に要する費用が抑えられる。加えて、この構成によれば、吸着材が高い温度で酸素を含有するガスにさらされることが回避されているため、吸着材の熱劣化を十分に抑制するための酸素除去にかかる費用を削減することができる。このように、上記構成を備えた二酸化炭素回収装置によれば、経済的に有利な方法で、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得ることができる。
【0025】
本発明に係る二酸化炭素回収装置の更なる特徴構成は、前記予熱部は、前記予熱ゾーンの循環経路上に前記予熱用ガス中の水蒸気濃度を低減させるための水分除去手段を有する点にある。
【0026】
この構成によれば、再生ゾーンにおける二酸化炭素の脱離をより有利な条件で行うことができる。したがって、上記構成を備えた二酸化炭素回収装置によれば、経済的により有利な方法で、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得ることができる。
【0027】
本発明に係る二酸化炭素回収装置の更なる特徴構成は、予熱工程で前記予熱ゾーンに送入される前記予熱用ガスと再生工程で前記再生ゾーンに送入される前記再生用ガスとの水蒸気分圧の差を駆動力として当該予熱用ガスから当該再生用ガスに水蒸気を移動させる水蒸気輸送手段を備える点にある。
【0028】
この構成によれば、エネルギーを投入することなく、予熱工程で予熱ゾーンに送入される予熱用ガスの水蒸気濃度を低減するとともに、再生工程で再生ゾーンに送入される再生用ガスの水蒸気濃度を増加させることができるため、経済的により有利な方法で、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得ることができる。
【0029】
本発明に係る二酸化炭素回収装置の更なる特徴構成は、前記流路区分手段は、前記ハニカムローターを、その回転方向に沿って、前記吸着ゾーン、エアパージゾーン、前記予熱ゾーン、前記再生ゾーン、前記予冷ゾーンおよび低酸素濃度ガス回収ゾーンに区分し、
前記エアパージゾーンと前記低酸素濃度ガス回収ゾーンとの間でガスを循環させる低酸素濃度ガス循環部を備える点にある。
前記エアパージゾーンと前記低酸素濃度ガス回収ゾーンとの間でガスを循環させる低酸素濃度ガス循環部を備える点にある。
【0030】
この構成によれば、低酸素濃度ガス回収ゾーンに含まれる低酸素濃度ガスの少なくとも一部をエアパージゾーンに回収でき、低酸素濃度ガスを再利用できるため、低酸素濃度ガスを生成するための酸素除去に要する費用を抑えられる。したがって、上記構成を備えた二酸化炭素回収装置によれば、経済的により有利な方法で、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得ることができる。
【0031】
また、上記課題を解決するために、本発明は、
二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材を含有するハニカムを用い、
前記ハニカムに、二酸化炭素を含有する０℃以上４０℃以下の空気を送入して、前記ハニカムに二酸化炭素を吸着させるとともに、前記ハニカムから二酸化炭素濃度が低下した空気を流出させる空気供給工程と、
前記空気供給工程を終えた前記ハニカムに、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予熱用ガスを送入するとともに、前記ハニカムから流出した前記予熱用ガスを加熱して、循環利用しながら前記ハニカムを６０℃以上１２０℃以下に予熱する予熱工程と、
前記予熱工程を終えた前記ハニカムに、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い再生用ガスを送入し、前記ハニカムから二酸化炭素を脱離させ、前記ハニカムから流出した二酸化炭素濃度の高まった二酸化炭素富化ガスから二酸化炭素を分離するとともに、二酸化炭素を分離した後のガスを加熱して、前記再生用ガスとして循環利用しながら前記ハニカムから二酸化炭素を回収して、再生する再生工程と、
前記再生工程を終えた前記ハニカムに、０℃以上６０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予冷用ガスを送入するとともに、前記ハニカムから流出した前記予冷用ガスを冷却して、循環利用しながら前記ハニカムを６０℃以下に冷却する予冷工程と、をこの順序で繰り返すとともに、前記予熱工程および前記再生工程の少なくとも一方において、循環するガスから酸素を除去する操作を行う、二酸化炭素回収方法も提供する。
二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材を含有するハニカムを用い、
前記ハニカムに、二酸化炭素を含有する０℃以上４０℃以下の空気を送入して、前記ハニカムに二酸化炭素を吸着させるとともに、前記ハニカムから二酸化炭素濃度が低下した空気を流出させる空気供給工程と、
前記空気供給工程を終えた前記ハニカムに、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予熱用ガスを送入するとともに、前記ハニカムから流出した前記予熱用ガスを加熱して、循環利用しながら前記ハニカムを６０℃以上１２０℃以下に予熱する予熱工程と、
前記予熱工程を終えた前記ハニカムに、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い再生用ガスを送入し、前記ハニカムから二酸化炭素を脱離させ、前記ハニカムから流出した二酸化炭素濃度の高まった二酸化炭素富化ガスから二酸化炭素を分離するとともに、二酸化炭素を分離した後のガスを加熱して、前記再生用ガスとして循環利用しながら前記ハニカムから二酸化炭素を回収して、再生する再生工程と、
前記再生工程を終えた前記ハニカムに、０℃以上６０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予冷用ガスを送入するとともに、前記ハニカムから流出した前記予冷用ガスを冷却して、循環利用しながら前記ハニカムを６０℃以下に冷却する予冷工程と、をこの順序で繰り返すとともに、前記予熱工程および前記再生工程の少なくとも一方において、循環するガスから酸素を除去する操作を行う、二酸化炭素回収方法も提供する。
【0032】
この方法によれば、吸着材の再生過程において、予熱工程、再生工程、予冷工程を通じ、ハニカムに送入されるガスの酸素濃度が空気よりも低く維持される。そのため、吸着材が高い温度、例えば６０℃以上の条件で、酸素濃度の高いガスにさらされることが回避され、その結果として吸着材の劣化が抑制される。したがって、劣化した吸着材の交換に要する費用が抑えられる。加えて、この方法によれば、吸着材が高い温度で酸素を含有するガスにさらされることが回避されているため、吸着材の熱劣化を十分に抑制するための酸素除去にかかる費用を削減することができる。このように、上記構成を備えた二酸化炭素回収方法によれば、経済的に有利な方法で、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得ることができる。
【0033】
本発明に係る二酸化炭素回収方法の更なる特徴構成は、前記予熱工程において、循環するガスから水蒸気を除去する操作を行う点にある。
【0034】
このような構成であると、再生工程における二酸化炭素の脱離をより有利な条件で行うことができる。したがって、経済的により有利な方法で、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得ることができる。
【0035】
本発明に係る二酸化炭素回収方法の更なる特徴構成は、
前記予熱工程で前記ハニカムに送入される前記予熱用ガスと前記再生工程で前記ハニカムに送入される前記再生用ガスとの水蒸気分圧の差を駆動力として、前記予熱用ガスから前記再生用ガスに水蒸気を移動させる操作を行う点にある。
前記予熱工程で前記ハニカムに送入される前記予熱用ガスと前記再生工程で前記ハニカムに送入される前記再生用ガスとの水蒸気分圧の差を駆動力として、前記予熱用ガスから前記再生用ガスに水蒸気を移動させる操作を行う点にある。
【0036】
このような構成であると、エネルギーを投入することなく、予熱工程でハニカムに送入される予熱用ガスの水蒸気濃度を低減するとともに、再生工程でハニカムに送入される再生用ガスの水蒸気濃度を増加させることができるため、経済的により有利な方法で、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得ることができる。
【0037】
また、本発明に係る二酸化炭素回収方法の更なる特徴構成は、前記再生工程で前記ハニカムに送入される前記再生用ガスの相対湿度が、前記予熱工程で前記ハニカムに送入される前記予熱用ガスの相対湿度よりも高くなるよう、前記再生工程で前記ハニカムに送入される前記再生用ガスに水蒸気を添加する操作を行う点にある。
【0038】
このような構成であると、再生工程における二酸化炭素の脱離をさらに有利な条件で行うことができる。したがって、経済的にさらに有利な方法で、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得ることができる。
【0039】
また、本発明に係る二酸化炭素回収方法の更なる特徴構成は、前記空気供給工程を終えたハニカム流路内の空気の少なくとも一部を、前記予冷工程を終えたハニカム流路内のガスと交換するエアパージ工程と、
前記予冷工程を終えたハニカム流路内のガスの少なくとも一部を、前記空気供給工程を終えたハニカム流路内のガスと交換する低酸素濃度ガス回収工程と、を含む点にある。
前記予冷工程を終えたハニカム流路内のガスの少なくとも一部を、前記空気供給工程を終えたハニカム流路内のガスと交換する低酸素濃度ガス回収工程と、を含む点にある。
【0040】
この構成によれば、予冷工程後のハニカム流路内に含まれる低酸素濃度ガスの少なくとも一部をエアパージ工程で回収でき、低酸素濃度ガスを再利用できるため、低酸素濃度ガスを生成するための酸素除去に要する費用を抑えられる。したがって、上記構成を備えた二酸化炭素回収方法によれば、経済的により有利な方法で、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得ることができる。
【発明の効果】
【0041】
以上の構成によれば、経済的に有利な方法で、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【発明を実施するための形態】
【0043】
以下、本発明にかかる二酸化炭素回収装置および二酸化炭素回収方法の実施形態について説明する。
【0044】
〔二酸化炭素回収装置の概要〕
図１に示すように、本例の二酸化炭素回収装置Ａは、二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材を含有し、二酸化炭素を含有する空気が供給されるハニカムローター１と、ハニカムローター１を、その回転方向に沿って、吸着ゾーン１１、エアパージゾーン１２、予熱ゾーン１３、再生ゾーン１４、予冷ゾーン１５および低酸素濃度ガス回収ゾーン１６に区分する流路区分手段（図示せず）と、を備えている。
図１に示すように、本例の二酸化炭素回収装置Ａは、二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材を含有し、二酸化炭素を含有する空気が供給されるハニカムローター１と、ハニカムローター１を、その回転方向に沿って、吸着ゾーン１１、エアパージゾーン１２、予熱ゾーン１３、再生ゾーン１４、予冷ゾーン１５および低酸素濃度ガス回収ゾーン１６に区分する流路区分手段（図示せず）と、を備えている。
【0045】
また、二酸化炭素回収装置Ａは、吸着ゾーン１１に二酸化炭素を含有する０℃以上４０℃以下の空気を送入し、二酸化炭素濃度が低下した空気を流出させる空気供給部１０と、予熱ゾーン１３に６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低いガスを送入し、ハニカムローター１を加熱する予熱部１３０と、再生ゾーン１４に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い再生用ガスを送入し、ハニカムローター１から二酸化炭素を脱離させるとともに、二酸化炭素を分離する再生部１４０と、予冷ゾーン１５に、０℃以上６０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低いガスを送入し、ハニカムローター１を冷却する予冷部１５０と、を備えている。
【0046】
更に、本例の二酸化炭素回収装置Ａは、エアパージゾーン１２と低酸素濃度ガス回収ゾーン１６との間でガスを循環させる低酸素濃度ガス循環部１２０を備えている。
【0047】
〔ハニカムローター〕
ハニカムローター１の基材は、十分な強度があって、変形しにくく、比熱容量が小さいものであれば、その材質は問わないが、セラミックペーパー、活性炭素繊維ペーパー、耐熱性の有機繊維紙などを加工したコルゲートハニカムが好ましい。本例のハニカムローター１は、基材としてコルゲートハニカムを採用し、ハニカム構造を構成する柱体の柱方向が回転軸とほぼ平行となるように構成したものである。図１では、ハニカムローター１に対して、柱方向一方側から空気が供給され、他方側から予熱用ガス、再生用ガスおよび予冷用ガスが供給されるようになっているが、これらの供給方向は、同方向であっても逆方向であっても構わない。
ハニカムローター１の基材は、十分な強度があって、変形しにくく、比熱容量が小さいものであれば、その材質は問わないが、セラミックペーパー、活性炭素繊維ペーパー、耐熱性の有機繊維紙などを加工したコルゲートハニカムが好ましい。本例のハニカムローター１は、基材としてコルゲートハニカムを採用し、ハニカム構造を構成する柱体の柱方向が回転軸とほぼ平行となるように構成したものである。図１では、ハニカムローター１に対して、柱方向一方側から空気が供給され、他方側から予熱用ガス、再生用ガスおよび予冷用ガスが供給されるようになっているが、これらの供給方向は、同方向であっても逆方向であっても構わない。
【0048】
ハニカムローター１は、軸中心に回転自在に支持されており、一定の速度で所定方向（例えば、図１の矢印の方向）に回転するように構成される。ハニカムローター１の特定箇所に注目すると、その回転により、吸着ゾーン１１、エアパージゾーン１２、予熱ゾーン１３、再生ゾーン１４、予冷ゾーン１５および低酸素濃度ガス回収ゾーン１６とに順次移動し、ハニカムローター１が一回転すると元の位置に戻る。
【0049】
ハニカムローター１は、二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材を含有する。二酸化炭素を可逆的に吸脱着できる吸着材としては、０℃以上４０℃以下で大気に接触させて、大気中の二酸化炭素を吸着できるものであればよい。テトラエチレンペンタアミン（ＴＥＰＡ）、ペンタエチレンヘキサアミン（ＰＥＨＡ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を高比表面積のシリカや活性炭などに担持した吸着材、一又は二級アミノ基を官能基として持つ弱塩基性陰イオン交換樹脂からなる吸着材、ＫやＮａの炭酸塩又は炭酸水素塩を活性炭やシリカ、アルミナなどに添着又は担持した吸着材などが例示できる。
【0050】
〔流路区分手段〕
流路区分手段は、例えば、ハニカムローター１の回転軸から半径方向に放射状に延びた金属の薄板等を直接または、柔軟性および摺動性を有する樹脂等を介してハニカムローター１に突き当てるようにして、形成することができる。半径方向に放射状に延びる２辺に、ハニカム外周部分を加えた、概略扇形に区画された部分が、それぞれの流路となる。
流路区分手段は、例えば、ハニカムローター１の回転軸から半径方向に放射状に延びた金属の薄板等を直接または、柔軟性および摺動性を有する樹脂等を介してハニカムローター１に突き当てるようにして、形成することができる。半径方向に放射状に延びる２辺に、ハニカム外周部分を加えた、概略扇形に区画された部分が、それぞれの流路となる。
【0051】
〔空気供給部〕
空気供給部１０は、吸着ゾーン１１の入口側に、二酸化炭素を含有する０℃以上４０℃以下の空気を送入する空気送入手段（図示せず）を備えている。吸着ゾーン１１の出口側からは、二酸化炭素濃度が低下した空気が流出する。空気送入手段は、二酸化炭素を含有する空気を、大気圧下において０℃以上４０℃以下で吸着ゾーン１１に送入できるものであれば、その構成は問わず、さまざまな形式のファンまたはブロアーを使用することができるが、大量の空気を送入する必要があることから、所要動力が小さく、経済性に優れる点では、有圧換気扇を使用することが好ましい。
空気供給部１０は、吸着ゾーン１１の入口側に、二酸化炭素を含有する０℃以上４０℃以下の空気を送入する空気送入手段（図示せず）を備えている。吸着ゾーン１１の出口側からは、二酸化炭素濃度が低下した空気が流出する。空気送入手段は、二酸化炭素を含有する空気を、大気圧下において０℃以上４０℃以下で吸着ゾーン１１に送入できるものであれば、その構成は問わず、さまざまな形式のファンまたはブロアーを使用することができるが、大量の空気を送入する必要があることから、所要動力が小さく、経済性に優れる点では、有圧換気扇を使用することが好ましい。
【0052】
〔予熱部〕
予熱部１３０は、予熱ゾーン１３を通るガス循環路Ｃ１に、ガス循環路Ｃ１にガスを循環させる予熱用ガス循環手段１３３（例えばブロアー）、ガス循環路Ｃ１内のガスを加熱する予熱用加熱手段１３４（例えば熱交換器）、ガス循環路Ｃ１内のガスに水素を添加する水素添加手段、および水素と酸素とを反応させて水蒸気に変換する酸化触媒層１３５が設けられた構成を有している。予熱部１３０は、予熱ゾーン１３の入口側に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低いガスを送入し、ハニカムローター１を加熱するとともに、予熱ゾーン１３の出口側から流出した気体を予熱用ガス循環手段１３３、予熱用加熱手段１３４および酸化触媒層１３５を経て、加熱および酸素濃度を低減し、予熱ゾーン１３の入口側に送入可能に構成されている。つまり、予熱部１３０は、予熱ゾーン１３の出口側から流出した気体を循環利用可能に構成されている。
予熱部１３０は、予熱ゾーン１３を通るガス循環路Ｃ１に、ガス循環路Ｃ１にガスを循環させる予熱用ガス循環手段１３３（例えばブロアー）、ガス循環路Ｃ１内のガスを加熱する予熱用加熱手段１３４（例えば熱交換器）、ガス循環路Ｃ１内のガスに水素を添加する水素添加手段、および水素と酸素とを反応させて水蒸気に変換する酸化触媒層１３５が設けられた構成を有している。予熱部１３０は、予熱ゾーン１３の入口側に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低いガスを送入し、ハニカムローター１を加熱するとともに、予熱ゾーン１３の出口側から流出した気体を予熱用ガス循環手段１３３、予熱用加熱手段１３４および酸化触媒層１３５を経て、加熱および酸素濃度を低減し、予熱ゾーン１３の入口側に送入可能に構成されている。つまり、予熱部１３０は、予熱ゾーン１３の出口側から流出した気体を循環利用可能に構成されている。
【0053】
なお、本願において、「酸素濃度が空気よりも低い」とは、そのガスに含まれる成分のうち、水蒸気および二酸化炭素を除いた成分全体に占める酸素の体積比率が、乾燥大気中の酸素濃度（２１％）よりも低いことを意味する。従って、単に水蒸気を添加して酸素分圧を低下させたガスは、本願でいう「酸素濃度が空気よりも低いガス」には該当しない。
【0054】
酸化触媒層１３５で用いる触媒は、白金またはパラジウム等をアルミナまたはジルコニアなどの耐火性無機酸化物担体に担持した酸化触媒である。特に、白金をアルミナまたはジルコニアに担持した触媒は、約４０℃以上で、水素と酸素の反応を速やかに進行させることができるので好ましい。
酸化触媒の形状は問わないが、コージェライトやステンレス箔からなるハニカム担体に触媒成分をコートしたハニカム触媒を用いると、圧力損失が小さく有利である。
酸化触媒の形状は問わないが、コージェライトやステンレス箔からなるハニカム担体に触媒成分をコートしたハニカム触媒を用いると、圧力損失が小さく有利である。
【0055】
〔再生部〕
再生部１４０は、再生ゾーン１４を通るガス循環路Ｃ２に、ガス循環路Ｃ２にガスを循環させる再生用ガス循環手段１４１（例えばブロアー）と、ガス循環路Ｃ２内のガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離手段１４２、ガス循環路Ｃ２内のガスを加熱する再生用加熱手段１４３（例えば熱交換器）が設けられた構成を有している。再生部１４０は、再生ゾーン１４の入口側に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い再生用ガスを送入し、ハニカムローター１から二酸化炭素を脱離させるとともに、再生ゾーン１４の出口側から流出した二酸化炭素濃度の高まった二酸化炭素富化ガスから二酸化炭素分離手段１４２において高純度の二酸化炭素を分離した後、残余のガスを再生用加熱手段１４３を経て加熱し、再生ゾーン１４の入口側に送入可能に構成されている。つまり、再生部１４０は、再生ゾーン１４の出口側から流出した気体を再生用ガスとして循環利用可能に構成されている。
再生部１４０は、再生ゾーン１４を通るガス循環路Ｃ２に、ガス循環路Ｃ２にガスを循環させる再生用ガス循環手段１４１（例えばブロアー）と、ガス循環路Ｃ２内のガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離手段１４２、ガス循環路Ｃ２内のガスを加熱する再生用加熱手段１４３（例えば熱交換器）が設けられた構成を有している。再生部１４０は、再生ゾーン１４の入口側に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い再生用ガスを送入し、ハニカムローター１から二酸化炭素を脱離させるとともに、再生ゾーン１４の出口側から流出した二酸化炭素濃度の高まった二酸化炭素富化ガスから二酸化炭素分離手段１４２において高純度の二酸化炭素を分離した後、残余のガスを再生用加熱手段１４３を経て加熱し、再生ゾーン１４の入口側に送入可能に構成されている。つまり、再生部１４０は、再生ゾーン１４の出口側から流出した気体を再生用ガスとして循環利用可能に構成されている。
【0056】
二酸化炭素分離手段１４２には、公知の二酸化炭素分離設備を利用することができ、例えば、アミン吸収法による二酸化炭素分離設備が利用できる。典型的には、二酸化炭素富化ガスは、体積基準で２％～１０％の二酸化炭素を含む。二酸化炭素分離手段１４２では、二酸化炭素富化ガスが、体積基準で９９％以上の高純度の二酸化炭素を含むガスと、体積基準で０．２％～１％の二酸化炭素を含むガスに分離される。後者のガスが、再生用加熱手段１４３で加熱されて、循環利用される。
【0057】
〔予冷部〕
予冷部１５０は、予冷ゾーン１５を通るガス循環路Ｃ３に、ガス循環路Ｃ３内のガスを冷却する冷却手段１５１（例えば熱交換器）およびガス循環路Ｃ３にガスを循環させる予冷用ガス循環手段１５２（例えばブロアー）が設けられた構成を有している。予冷部１５０は、予冷ゾーン１５の入口側に、０℃以上６０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低いガスを送入し、ハニカムローター１を冷却するとともに、予冷ゾーン１５の出口側から流出したガスを冷却手段１５１および予冷用ガス循環手段１５２を経て冷却し、予冷ゾーン１５の入口側に送入可能に構成されている。つまり、予冷部１５０は、予冷ゾーン１５の出口側から流出した気体を循環利用可能に構成されている。なお、予冷部１５０は、冷却手段１５１と予冷用ガス循環手段１５２との間に凝縮水を分離するための気液分離手段を備えていてもよい。
予冷部１５０は、予冷ゾーン１５を通るガス循環路Ｃ３に、ガス循環路Ｃ３内のガスを冷却する冷却手段１５１（例えば熱交換器）およびガス循環路Ｃ３にガスを循環させる予冷用ガス循環手段１５２（例えばブロアー）が設けられた構成を有している。予冷部１５０は、予冷ゾーン１５の入口側に、０℃以上６０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低いガスを送入し、ハニカムローター１を冷却するとともに、予冷ゾーン１５の出口側から流出したガスを冷却手段１５１および予冷用ガス循環手段１５２を経て冷却し、予冷ゾーン１５の入口側に送入可能に構成されている。つまり、予冷部１５０は、予冷ゾーン１５の出口側から流出した気体を循環利用可能に構成されている。なお、予冷部１５０は、冷却手段１５１と予冷用ガス循環手段１５２との間に凝縮水を分離するための気液分離手段を備えていてもよい。
【0058】
〔低酸素濃度ガス循環部〕
低酸素濃度ガス循環部１２０は、エアパージゾーン１２および低酸素濃度ガス回収ゾーン１６を通るガス循環路Ｃ４に、ガス循環路Ｃ４にガスを循環させるガス循環手段１２１（例えばブロアー）が設けられた構成を有している。低酸素濃度ガス循環部１２０は、エアパージゾーン１２と低酸素濃度ガス回収ゾーン１６との間でガスを循環させ、低酸素濃度ガス回収ゾーン１６に含まれる低酸素濃度ガスの一部をエアパージゾーン１２に回収可能に構成されている。
低酸素濃度ガス循環部１２０は、エアパージゾーン１２および低酸素濃度ガス回収ゾーン１６を通るガス循環路Ｃ４に、ガス循環路Ｃ４にガスを循環させるガス循環手段１２１（例えばブロアー）が設けられた構成を有している。低酸素濃度ガス循環部１２０は、エアパージゾーン１２と低酸素濃度ガス回収ゾーン１６との間でガスを循環させ、低酸素濃度ガス回収ゾーン１６に含まれる低酸素濃度ガスの一部をエアパージゾーン１２に回収可能に構成されている。
【0059】
次に、本例の二酸化炭素回収方法について説明する。本例の二酸化炭素回収方法は、空気供給工程、エアパージ工程、予熱工程、再生工程、予冷工程、低酸素濃度ガス回収工程をこの順序で繰り返し行う。
【0060】
〔空気供給工程〕
空気供給工程では、ハニカムローター１の吸着ゾーン１１に、二酸化炭素を含有する空気を、大気圧下において０℃以上４０℃以下で接触させることで、空気に含まれる二酸化炭素を吸着させる。この際、吸着ゾーン１１の出口側からは、二酸化炭素濃度が低下した空気が流出する。
空気供給工程では、ハニカムローター１の吸着ゾーン１１に、二酸化炭素を含有する空気を、大気圧下において０℃以上４０℃以下で接触させることで、空気に含まれる二酸化炭素を吸着させる。この際、吸着ゾーン１１の出口側からは、二酸化炭素濃度が低下した空気が流出する。
【0061】
〔エアパージ工程〕
ハニカムローター１が、回転により吸着ゾーン１１からエアパージゾーン１２に、移動した直後の状態では、ハニカムローター１のハニカム流路内は、空気で満たされている。
エアパージ工程では、エアパージゾーン１２と低酸素濃度ガス回収ゾーン１６との間でガスを循環させることで、低酸素濃度ガス回収ゾーン１６に含まれる低酸素濃度ガスの約半分をエアパージゾーン１２に回収する。
この工程は、低酸素濃度ガスの回収を目的としたものであるから、ガスが十分置換されるだけの流量でよく、例えばハニカムローター１の回転速度が、エアパージゾーン１２の通過に１分かかるように設定されている場合、１分間にエアパージゾーン１２に送入されるガス量は、エアパージゾーン１２の体積の１ないし５倍程度でよい。ハニカムローター１の回転速度が、エアパージゾーン１２の通過に２分かかるように設定されている場合、１分間にエアパージゾーン１２に送入されるガス量は、エアパージゾーン１２の体積の０．５ないし２．５倍程度でよい。
流量が過大であると、ガスの交換だけでなく、循環ガスを通じたエアパージゾーン１２と低酸素濃度ガス回収ゾーン１６との熱交換も起こる。通常、エアパージゾーン１２よりも低酸素濃度ガス回収ゾーン１６のほうが、温度が高いため、ガスの循環が過大であると、エアパージゾーン１２が加熱されることになる。これにより、ハニカムローター１のエアパージゾーン１２の部位の吸着材からの二酸化炭素の脱離が生じ、脱離した二酸化炭素は低酸素濃度ガス回収ゾーン１６の部位の吸着材に吸着されるおそれがある。これは、再生工程で回収される二酸化炭素の量の減少につながるため、エアパージ工程におけるガスの循環量は、上記範囲を超えないようにするのが良い。
ハニカムローター１が、回転により吸着ゾーン１１からエアパージゾーン１２に、移動した直後の状態では、ハニカムローター１のハニカム流路内は、空気で満たされている。
エアパージ工程では、エアパージゾーン１２と低酸素濃度ガス回収ゾーン１６との間でガスを循環させることで、低酸素濃度ガス回収ゾーン１６に含まれる低酸素濃度ガスの約半分をエアパージゾーン１２に回収する。
この工程は、低酸素濃度ガスの回収を目的としたものであるから、ガスが十分置換されるだけの流量でよく、例えばハニカムローター１の回転速度が、エアパージゾーン１２の通過に１分かかるように設定されている場合、１分間にエアパージゾーン１２に送入されるガス量は、エアパージゾーン１２の体積の１ないし５倍程度でよい。ハニカムローター１の回転速度が、エアパージゾーン１２の通過に２分かかるように設定されている場合、１分間にエアパージゾーン１２に送入されるガス量は、エアパージゾーン１２の体積の０．５ないし２．５倍程度でよい。
流量が過大であると、ガスの交換だけでなく、循環ガスを通じたエアパージゾーン１２と低酸素濃度ガス回収ゾーン１６との熱交換も起こる。通常、エアパージゾーン１２よりも低酸素濃度ガス回収ゾーン１６のほうが、温度が高いため、ガスの循環が過大であると、エアパージゾーン１２が加熱されることになる。これにより、ハニカムローター１のエアパージゾーン１２の部位の吸着材からの二酸化炭素の脱離が生じ、脱離した二酸化炭素は低酸素濃度ガス回収ゾーン１６の部位の吸着材に吸着されるおそれがある。これは、再生工程で回収される二酸化炭素の量の減少につながるため、エアパージ工程におけるガスの循環量は、上記範囲を超えないようにするのが良い。
【0062】
〔予熱工程〕
予熱工程では、ハニカムローター１の予熱ゾーン１３に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予熱用ガスを送入し、ハニカムローター１を加熱して、６０℃以上１２０℃以下に予熱する。また、予熱ゾーン１３の出口側から流出したガスは循環利用され、再度予熱ゾーン１３の入口側から送入される。
予熱工程では、ハニカムローター１の予熱ゾーン１３に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予熱用ガスを送入し、ハニカムローター１を加熱して、６０℃以上１２０℃以下に予熱する。また、予熱ゾーン１３の出口側から流出したガスは循環利用され、再度予熱ゾーン１３の入口側から送入される。
【0063】
予熱ゾーン１３におけるハニカムローター１の温度および循環ガス中の二酸化炭素濃度により、ハニカムローター１からの二酸化炭素の脱離が起こる場合も、ハニカムローター１への二酸化炭素の吸着が起こる場合も生じうるが、運転が安定して定常状態に至った段階では、ハニカムローター１が予熱ゾーン１３に入る際の二酸化炭素吸着量と、ハニカムローター１が予熱ゾーン１３から出る際の二酸化炭素吸着量は一致するので、予熱ゾーン１３において、見かけ上は、ハニカムローター１への二酸化炭素の吸着も脱離も起こらない。
【0064】
この工程は、ハニカムローター１を次の再生工程に必要な温度まで予熱すること目的としたものであるから、ハニカムローター１の熱容量に見合う熱容量のガスを循環させることが必要となる。必要なガスの循環量は、ハニカムローター１の熱容量に依存するが、例えばハニカムローター１の回転速度が、予熱ゾーン１３の通過に１０分かかるように設定されている場合、１０分間に予熱ゾーン１３に送入されるガス量は、予熱ゾーン１３の体積の３００倍ないし３０００倍程度とするのが適当である。
【0065】
また、予熱工程では、循環ガスに水素を添加して、水素と酸素とを反応させて水蒸気に変換する。ハニカムローター１が、回転によりエアパージゾーン１２から予熱ゾーン１３に移動した直後の状態では、ハニカムローター１のハニカム流路内は、典型的には酸素濃度１０％～１５％程度のガスで満たされており、これに見合う量の酸素が予熱ゾーン１３に継続的に持ち込まれることになる。上記酸素量の例えば２倍量（体積基準）の水素を継続的に添加しながら、ガスを循環利用することで、予熱工程で循環するガス中の酸素濃度は、１０％以下、より好ましくは５％以下、さらに好ましくは１％以下に抑制することができる。
【0066】
予熱ゾーン１３に持ち込まれる酸素量に対して、添加する水素の量が１．５倍を下回ると、予熱工程で循環するガス中の酸素濃度を十分に低減することが難しくなる。逆に、予熱ゾーン１３に持ち込まれる酸素量に対して、添加する水素の量が３倍を超えると、過剰の水素は、後段の再生ゾーン１４、予冷ゾーン１５、低酸素濃度ガス回収ゾーン１６を経て、最終的に大気に放出されるため、経済性が悪化する。ガス循環路の気密性が不良であると、大気が循環路に継続的に漏れこむことにより、添加すべき水素量が多少増加する場合があるが、その点を考慮しても予熱ゾーン１３に持ち込まれる酸素量に対して、１．５倍～３倍程度とするのが好ましい。
【0067】
〔再生工程〕
再生工程では、ハニカムローター１の再生ゾーン１４に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い再生用ガスを送入し、ハニカムローター１から二酸化炭素を脱離させるとともに、ハニカムローター１から流出した二酸化炭素濃度の高まった二酸化炭素富化ガスから二酸化炭素分離手段１４２によって高純度の二酸化炭素が分離される。また、二酸化炭素を分離した後のガスは循環利用され、再度再生ゾーン１４の入口側から送入される。
再生工程では、ハニカムローター１の再生ゾーン１４に、６０℃以上１２０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い再生用ガスを送入し、ハニカムローター１から二酸化炭素を脱離させるとともに、ハニカムローター１から流出した二酸化炭素濃度の高まった二酸化炭素富化ガスから二酸化炭素分離手段１４２によって高純度の二酸化炭素が分離される。また、二酸化炭素を分離した後のガスは循環利用され、再度再生ゾーン１４の入口側から送入される。
【0068】
〔予冷工程〕
予冷工程では、ハニカムローター１の予冷ゾーン１５に、０℃以上６０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予冷用ガスを送入して、ハニカムを６０℃以下に冷却する。予冷ゾーン１５の出口側から流出したガスは循環利用され、再度予冷ゾーン１５の入口側から送入される。なお、予冷工程では、必要に応じて、凝縮水を分離するための気液分離処理を行うようにしてもよい。
予冷工程では、ハニカムローター１の予冷ゾーン１５に、０℃以上６０℃以下で、酸素濃度が空気よりも低い予冷用ガスを送入して、ハニカムを６０℃以下に冷却する。予冷ゾーン１５の出口側から流出したガスは循環利用され、再度予冷ゾーン１５の入口側から送入される。なお、予冷工程では、必要に応じて、凝縮水を分離するための気液分離処理を行うようにしてもよい。
【0069】
予熱工程および再生工程において、循環ガス中の酸素濃度が十分低減されている場合、ハニカムローター１の移動により予冷ゾーン１５に持ち込まれる酸素量は十分に抑制されているので、予冷工程において酸素を除去することなく、予冷工程の循環ガス中の酸素濃度は空気よりも低く保たれる。
【0070】
この工程は、大気の酸素濃度に晒されても吸着材が劣化しない温度までハニカムローター１を予冷すること目的としたものであるから、ハニカムローター１の熱容量に見合う熱容量のガスを循環させることが必要となる。必要なガスの循環量は、ハニカムローター１の熱容量に依存するが、例えばハニカムローター１の回転速度が、予冷ゾーン１５の通過に１０分かかるように設定されている場合、１０分間に予冷ゾーン１５に送入されるガス量は、予冷ゾーン１５の体積の３００倍ないし３０００倍程度とするのが適当である。
【0071】
〔低酸素濃度ガス回収工程〕
ハニカムローター１が、回転により予冷ゾーン１５から低酸素濃度ガス回収ゾーン１６に移動した直後の状態では、ハニカムローター１のハニカム流路内は、低酸素濃度のガスで満たされている。低酸素濃度ガス回収工程では、エアパージゾーン１２と低酸素濃度ガス回収ゾーン１６との間でガスを循環させることで、低酸素濃度ガス回収ゾーン１６に含まれる低酸素濃度ガスの約半分をエアパージゾーン１２に回収する。
ハニカムローター１が、回転により予冷ゾーン１５から低酸素濃度ガス回収ゾーン１６に移動した直後の状態では、ハニカムローター１のハニカム流路内は、低酸素濃度のガスで満たされている。低酸素濃度ガス回収工程では、エアパージゾーン１２と低酸素濃度ガス回収ゾーン１６との間でガスを循環させることで、低酸素濃度ガス回収ゾーン１６に含まれる低酸素濃度ガスの約半分をエアパージゾーン１２に回収する。
【0072】
再生工程の前後でハニカム流路内のガスの交換を行う場合、再生工程の後のハニカム流路内のガスを、そのまま再生工程前のハニカムローター１に送入すると、再生工程の後のハニカム温度が高いため、再生工程前のハニカムローター１に吸着された二酸化炭素が脱離する恐れがある。本例の二酸化炭素回収方法では、予冷工程を経ているため、低酸素濃度ガス回収工程に入る際のハニカムローター１の温度は、十分低下している。そのため、低酸素濃度ガス回収ゾーン１６のハニカム流路内のガスを、そのままエアパージゾーン１２のハニカム流路内に送入しても二酸化炭素の脱離を引き起こす恐れは小さい。ただし、必要であれば、低酸素濃度ガス回収ゾーン１６からエアパージゾーン１２に至るガスの経路上に冷却手段を設けて、低酸素濃度ガス回収ゾーン１６から回収したガスをさらに冷却してからエアパージゾーン１２に送入してもよい。
【0073】
循環させるガスの流量については、エアパージ工程と同様であり、従ってハニカムローター１がエアパージゾーン１２を通過する時間と、ハニカムローター１が低酸素濃度ガス回収ゾーン１６を通過する時間は、ほぼ同じになるように流路を設定するのが好ましい。
【0074】
〔別実施形態〕〔１〕上例の構成では、予熱ゾーン１３の循環ガスに、水素が連続的に添加され、酸化触媒層１３５上で循環ガス中の酸素と反応して、水蒸気を生成する。従って、循環ガスから酸素が除かれるとともに、減少した酸素の２倍の量の水蒸気が加え続けられる。二酸化炭素回収装置Ａが安定して、定常な状態に至ると、循環ガスの組成は変化しないことから、生成した水蒸気の多くは、ハニカムローター１の吸着材上に吸着した形で、予熱ゾーン１３から再生ゾーン１４に移行することになる。その際、以下の問題が生じる場合がある。
まず、循環ガス中の水蒸気濃度が高くなり、予熱ゾーン１３の低温部で凝縮水を生じて、吸着材の変質を引き起こす恐れがある。また、循環ガス中の水蒸気濃度が高くなることにより、酸化触媒層１３５の酸化触媒の働きが水蒸気により阻害されて、十分な酸素除去性能が確保できなくなる恐れがある。
また、ハニカムローター１上に多量の水蒸気が吸着した状態で、再生ゾーン１４に送られた場合、再生ゾーン１４で送入される再生用ガスの相対湿度が低いと、再生ゾーン１４で、吸着材からの水蒸気の脱離が起こる。水蒸気の脱離は吸熱を伴うため、再生ゾーン１４でハニカムローター１の温度が低下する。ハニカムローター１の温度が低下すると、二酸化炭素の脱離を十分に進行させることが困難になり、再生ゾーン１４から流出する二酸化炭素富化ガスの二酸化炭素濃度が十分に高まらない恐れがある。
これらの問題が懸念される場合は、予熱部１３０は、予熱ゾーン１３のガス循環路を流れる循環ガス中の水蒸気濃度を低減させるための水分除去手段を循環経路上にさらに備えていてもよい。水分除去手段は、図２に示す通り、冷却手段１３１と気水分離手段１３２で構成することができる。より具体的には冷却手段としての熱交換器により循環ガスを所定の温度、例えば４０℃まで冷却し、凝縮した水分を気水分離手段としての気水分離器で分離する方法が採用できる。
まず、循環ガス中の水蒸気濃度が高くなり、予熱ゾーン１３の低温部で凝縮水を生じて、吸着材の変質を引き起こす恐れがある。また、循環ガス中の水蒸気濃度が高くなることにより、酸化触媒層１３５の酸化触媒の働きが水蒸気により阻害されて、十分な酸素除去性能が確保できなくなる恐れがある。
また、ハニカムローター１上に多量の水蒸気が吸着した状態で、再生ゾーン１４に送られた場合、再生ゾーン１４で送入される再生用ガスの相対湿度が低いと、再生ゾーン１４で、吸着材からの水蒸気の脱離が起こる。水蒸気の脱離は吸熱を伴うため、再生ゾーン１４でハニカムローター１の温度が低下する。ハニカムローター１の温度が低下すると、二酸化炭素の脱離を十分に進行させることが困難になり、再生ゾーン１４から流出する二酸化炭素富化ガスの二酸化炭素濃度が十分に高まらない恐れがある。
これらの問題が懸念される場合は、予熱部１３０は、予熱ゾーン１３のガス循環路を流れる循環ガス中の水蒸気濃度を低減させるための水分除去手段を循環経路上にさらに備えていてもよい。水分除去手段は、図２に示す通り、冷却手段１３１と気水分離手段１３２で構成することができる。より具体的には冷却手段としての熱交換器により循環ガスを所定の温度、例えば４０℃まで冷却し、凝縮した水分を気水分離手段としての気水分離器で分離する方法が採用できる。
【0075】
〔２〕上例では、再生工程において、再生ゾーン１４から流出する二酸化炭素富化ガスは、二酸化炭素分離手段１４２において高純度の二酸化炭素を分離回収した後、残余のガスは、再生用加熱手段１４３により加熱するのみで、再生ゾーン１４に循環するように構成したが、図２に示す通り、再生工程でハニカムローター１に送入される再生用ガスの相対湿度が、予熱工程でハニカムローター１に送入される予熱用ガスの相対湿度よりも高くなるように、残余のガス（再生用ガス）にスチーム（水蒸気）を添加してから再生ゾーン１４に循環するように構成してもよい。スチームを添加すると、循環ガスの温度が上昇するが、それに加えて循環ガス中の水蒸気濃度が上昇する。循環ガス中の水蒸気濃度が上昇すると、再生ゾーン１４で吸着材への水蒸気の吸着が進行しやすくなる。水蒸気の吸着は、発熱を伴うため、再生ゾーン１４におけるハニカムローター１の温度を高く維持することが容易になる。吸着材からの二酸化炭素の脱離は吸熱を伴うので、二酸化炭素の脱離と水蒸気の吸着が並行して進行するよう、再生用ガスの水蒸気濃度を調整すると、再生ゾーン１４での二酸化炭素の脱離を安定して進行させることができ、再生ゾーン１４から高濃度の二酸化炭素富化ガスを回収することが容易になる。
【0076】
〔３〕上例では、エアパージゾーン１２と低酸素濃度ガス回収ゾーン１６を、それぞれ１ゾーン設けた。しかし、エアパージゾーン１２と低酸素濃度ガス回収ゾーン１６を、それぞれ複数設けてもよい。その場合、エアパージゾーン１２と低酸素濃度ガス回収ゾーン１６とを、再生ゾーン１４に近い側から順に組み合わせて、それぞれ循環路を形成するようにすると、低酸素濃度ガスが効率よく回収でき、経済性が向上する。
【0077】
〔４〕上例では、予熱ゾーン１３および予冷ゾーン１５を、それぞれ１ゾーン設けた。しかし、予熱ゾーン１３および予冷ゾーン１５は複数に分割し、送入するガスの温度を変えてもよい。例えば、第一予熱ゾーンには６０℃のガスを送入して、まず５５℃程度まで昇温し、次いで第二予熱ゾーンには９５℃のガスを送入して、９０℃程度まで昇温する方法も採用できる。温度域の異なる排熱がある場合、このようにゾーン分けすることで、より排熱を有効利用できる場合がある。
【0078】
〔５〕上例では、予熱ゾーン１３、再生ゾーン１４および予冷ゾーン１５は、それぞれ完全に独立したガス循環路内にあるものとした。各ゾーン内の圧力は、運転が定常状態に至った場合も、概ね大気圧にあるが、各ゾーンでは加熱、冷却、ガスの脱離等により、大気圧よりもやや加圧ないし減圧になる場合がある。各ゾーンが大気圧よりも著しく加圧になった場合、循環ガスが大気に漏れ出す恐れがあり、各ゾーンが大気圧よりも著しく減圧になった場合、循環ガスに大気が漏れこむ恐れがある。この場合、各ゾーンのガス循環路をごく細い連通管で接続して、圧力の均等化を図ってもよい。予熱ゾーン１３を循環するガスの二酸化炭素濃度は、通常２％～１０％程度と高いので、予熱ゾーン１３のガス循環路と再生ゾーン１４のガス循環路の連通管は、再生ゾーン１４の出口側に接続するのが良い。予冷ゾーン１５を循環するガスの二酸化炭素濃度は、通常０．２％～１％程度と低いので、予冷ゾーン１５のガス循環路と再生ゾーン１４のガス循環路の連通管は、再生ゾーン１４の入口側に接続するのが良い。このほか、減圧になるゾーンには、圧力調整弁を介して、窒素を微小な流量で送入して、大気圧を保つようにしてもよい。
【0079】
〔６〕上例では、予熱部１３０が酸素除去手段としての水素添加手段および酸化触媒層１３５を備えるものとしたが、このような態様に限られるものではない。酸素除去手段は、予熱部１３０および再生部１４０の少なくともいずれか一方に設けることが好ましい。
予熱工程において、ガスの循環路に酸素除去手段が設置されて、循環ガス中の酸素濃度が十分低減されている場合、ハニカムローター１の移動により再生ゾーン１４に持ち込まれる酸素量は十分に抑制されているので、再生工程の循環路に、酸素除去手段を別途設ける必要はないが、さらに水素添加手段と、水素と酸素とを反応させて水蒸気に変換する酸化触媒層を備えてもよく、これにより、再生工程における循環ガス中の酸素濃度がさらに低減できるので、吸着材の耐久性が向上する。
また、水素添加手段と、水素と酸素とを反応させて水蒸気に変換する酸化触媒層が、予熱ゾーンに設置されている場合、再生工程の循環路には、水素と酸素とを反応させて水蒸気に変換する酸化触媒層のみを備えておき、予熱ゾーンで反応しきれなかった、微量の水素と酸素をさらに反応させるように構成してもよい。これにより、再生工程における循環ガス中の酸素濃度がさらに低減できるので、吸着材の耐久性が向上する。
予熱工程において、ガスの循環路に酸素除去手段が設置されて、循環ガス中の酸素濃度が十分低減されている場合、ハニカムローター１の移動により再生ゾーン１４に持ち込まれる酸素量は十分に抑制されているので、再生工程の循環路に、酸素除去手段を別途設ける必要はないが、さらに水素添加手段と、水素と酸素とを反応させて水蒸気に変換する酸化触媒層を備えてもよく、これにより、再生工程における循環ガス中の酸素濃度がさらに低減できるので、吸着材の耐久性が向上する。
また、水素添加手段と、水素と酸素とを反応させて水蒸気に変換する酸化触媒層が、予熱ゾーンに設置されている場合、再生工程の循環路には、水素と酸素とを反応させて水蒸気に変換する酸化触媒層のみを備えておき、予熱ゾーンで反応しきれなかった、微量の水素と酸素をさらに反応させるように構成してもよい。これにより、再生工程における循環ガス中の酸素濃度がさらに低減できるので、吸着材の耐久性が向上する。
【0080】
〔７〕上例では、流路区分手段によって、ハニカムローター１をその回転方向に沿って、吸着ゾーン１１、エアパージゾーン１２、予熱ゾーン１３、再生ゾーン１４、予冷ゾーン１５および低酸素濃度ガス回収ゾーン１６に区分するものとしたが、このような態様に限られるものではなく、吸着ゾーン１１、予熱ゾーン１３、再生ゾーン１４および予冷ゾーン１５に区分する態様であってもよい。
【0081】
〔８〕別実施形態〔１〕では、予熱部１３０が、予熱ゾーン１３のガス循環路を流れる循環ガス中の水蒸気濃度を低減させるための水分除去手段を循環経路上にさらに備えた例を説明した。この形態では、予熱ゾーン１３から水を脱離させるための熱を供給する必要があり、予熱用加熱手段１３４で投入する熱が大きくなる懸念がある。別実施形態〔２〕では、再生工程でハニカムローター１に送入される再生用ガスの相対湿度が、予熱工程でハニカムローター１に送入される予熱用ガスの相対湿度よりも高くなるように、残余のガス（再生用ガス）にスチーム（水蒸気）を添加してから再生ゾーン１４に循環するように構成する例を説明した。この形態では、再生用ガスの相対湿度が、予熱用ガスの相対湿度よりも低いと、添加するスチーム量が大きくなる懸念がある。
これらのいずれの構成をも採用しない場合、予熱ゾーン１３のガス循環路を流れる循環ガスの相対湿度は、空気供給工程において接触させる空気の相対湿度に近い値となる。これは、二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材は、一般に水蒸気も吸脱着し、その吸着量は、温度が異なっても、概ね相対湿度により決まること、定常状態においてはハニカムローター１が予熱ゾーン１３に入る際の水吸着量と、ハニカムローター１が予熱ゾーン１３から出る際の水吸着量は一致するためである。
例えば、空気供給工程を２５℃、相対湿度５０％の条件で行い、予熱工程から再生工程に移る際のハニカムローター１の温度が９０℃であるとき、予熱ゾーン１３のガス循環路を流れる循環ガスの水蒸気圧はおよそ３５ｋＰａ（９０℃での相対湿度５０％に相当）となる。
一方、再生工程でハニカムローター１に送入される再生用ガスの相対湿度は、二酸化炭素分離手段１４２として公知の二酸化炭素分離設備を利用し、再生用加熱手段１４３で９０℃まで加熱した場合、公知の二酸化炭素分離設備から流出する二酸化炭素を分離した後のガスに含まれる水蒸気圧は、二酸化炭素分離設備の出口温度である３５℃～５０℃の飽和水蒸気圧（６～１２ｋＰａ）になるので、９０℃（飽和水蒸気圧７０ｋＰａ）に加熱後の相対湿度としては８～１８％の範囲となる。
このように、別実施形態〔１〕も別実施形態〔２〕の構成も採用しない場合、予熱工程での相対湿度は５０％程度であるのに対し、再生工程での相対湿度は８～１８％と低いので、再生工程で急速な水の脱離が進行し、再生ゾーンの温度が低下する懸念がある。
そこで、図３に示す通り、水吸着部２１と水脱離部２２とを有するデシカントローター２が、予熱ゾーン１３に送入される予熱用ガスがデシカントローター２の水吸着部２１を通過し、再生ゾーン１４に送入される再生用ガスがデシカントローター２の水脱離部２２を通過するように構成してもよい。
デシカントローター２は、水蒸気選択吸着剤を塗布したハニカムローターであり、デシカントローター２は、予熱用ガス中から、酸化触媒層１３５で生成した水蒸気を水吸着部２１で水分として吸着する。吸着した水分は、水脱離部２２で水蒸気として再生用ガスに取り込まれ、再生ゾーン１４に送入される。予熱ゾーン１３に送入される予熱用ガスと、再生ゾーン１４に送入される再生用ガスの温度はほぼ同じで、水蒸気濃度は予熱用ガスの方がかなり高いので、前記予熱用ガスと前記再生用ガスとの水蒸気分圧の差を駆動力として、エネルギー投入なしに、前記予熱用ガスから前記再生用ガスに水蒸気を移動させることができる。
図３では、水蒸気輸送手段としてデシカントローターを用いる例を特に説明したが、水蒸気輸送手段としてはこれに限られるものではない。例えば、予熱ゾーン１３に送入される予熱用ガスと、再生ゾーン１４に送入される再生用ガスとを水蒸気選択透過膜を介して接触させることにより、前記予熱用ガスから前記再生用ガスに水蒸気を移動させてもよい。あるいは、水蒸気選択吸着剤を充填した吸着層に、ガス流路を切り替える切替バルブを用いて、予熱ゾーン１３に送入される予熱用ガスと、再生ゾーン１４に送入される再生用ガスとを交互に流通することによっても、前記予熱用ガスから前記再生用ガスに水蒸気を移動させることができる。
なお、予熱ゾーン１３に送入される予熱用ガスの二酸化炭素濃度は通常２％～１０％程度（体積基準、以下同様）と高いのに対し、再生ゾーン１４に送入される再生用ガスの二酸化炭素濃度は０．２％～１％程度である。再生ゾーン１４に送入される再生用ガスの二酸化炭素濃度が高まると、再生ゾーン１４からの二酸化炭素の脱離が妨げられる。従って、水蒸気選択透過膜を用いる場合、水蒸気透過能に対して二酸化炭素透過能が十分低い選択透過性を水蒸気選択透過膜が有しなければ、予熱ゾーンから再生ゾーンへの二酸化炭素の移動が起こり、二酸化炭素回収の効率が低下する。ポリイミド膜などの高分子膜は、通常高い水蒸気選択透過性を有するので、本別実施形態の水蒸気選択透過膜として好適に利用できる。水蒸気選択吸着剤を用いる場合も、水蒸気吸着量が高く、二酸化炭素吸着量は低い選択吸着性が必要であり、例えばシリカゲルやゼオライトが水蒸気選択吸着剤として利用できる。水蒸気選択吸着剤を塗布したハニカムローターを用いて、連続的に予熱用ガスから水蒸気の吸着と再生用ガスへの水蒸気の脱着を行うと、予熱用ガスの循環路および再生用ガスの循環路の圧力損失を低く抑えつつ、効率的に予熱用ガスから再生用ガスに水蒸気を移動させることができる。
なお、予熱用ガスと前記再生用ガスとの水蒸気分圧の差を駆動力として、前記予熱用ガスから前記再生用ガスに水蒸気を移動させる操作を行う本別実施形態を、別実施形態〔２〕と併用する場合は、図３に示すようにデシカントローター２の後段でスチームの添加を行うのが良い。
これらのいずれの構成をも採用しない場合、予熱ゾーン１３のガス循環路を流れる循環ガスの相対湿度は、空気供給工程において接触させる空気の相対湿度に近い値となる。これは、二酸化炭素を可逆的に吸脱着可能な吸着材は、一般に水蒸気も吸脱着し、その吸着量は、温度が異なっても、概ね相対湿度により決まること、定常状態においてはハニカムローター１が予熱ゾーン１３に入る際の水吸着量と、ハニカムローター１が予熱ゾーン１３から出る際の水吸着量は一致するためである。
例えば、空気供給工程を２５℃、相対湿度５０％の条件で行い、予熱工程から再生工程に移る際のハニカムローター１の温度が９０℃であるとき、予熱ゾーン１３のガス循環路を流れる循環ガスの水蒸気圧はおよそ３５ｋＰａ（９０℃での相対湿度５０％に相当）となる。
一方、再生工程でハニカムローター１に送入される再生用ガスの相対湿度は、二酸化炭素分離手段１４２として公知の二酸化炭素分離設備を利用し、再生用加熱手段１４３で９０℃まで加熱した場合、公知の二酸化炭素分離設備から流出する二酸化炭素を分離した後のガスに含まれる水蒸気圧は、二酸化炭素分離設備の出口温度である３５℃～５０℃の飽和水蒸気圧（６～１２ｋＰａ）になるので、９０℃（飽和水蒸気圧７０ｋＰａ）に加熱後の相対湿度としては８～１８％の範囲となる。
このように、別実施形態〔１〕も別実施形態〔２〕の構成も採用しない場合、予熱工程での相対湿度は５０％程度であるのに対し、再生工程での相対湿度は８～１８％と低いので、再生工程で急速な水の脱離が進行し、再生ゾーンの温度が低下する懸念がある。
そこで、図３に示す通り、水吸着部２１と水脱離部２２とを有するデシカントローター２が、予熱ゾーン１３に送入される予熱用ガスがデシカントローター２の水吸着部２１を通過し、再生ゾーン１４に送入される再生用ガスがデシカントローター２の水脱離部２２を通過するように構成してもよい。
デシカントローター２は、水蒸気選択吸着剤を塗布したハニカムローターであり、デシカントローター２は、予熱用ガス中から、酸化触媒層１３５で生成した水蒸気を水吸着部２１で水分として吸着する。吸着した水分は、水脱離部２２で水蒸気として再生用ガスに取り込まれ、再生ゾーン１４に送入される。予熱ゾーン１３に送入される予熱用ガスと、再生ゾーン１４に送入される再生用ガスの温度はほぼ同じで、水蒸気濃度は予熱用ガスの方がかなり高いので、前記予熱用ガスと前記再生用ガスとの水蒸気分圧の差を駆動力として、エネルギー投入なしに、前記予熱用ガスから前記再生用ガスに水蒸気を移動させることができる。
図３では、水蒸気輸送手段としてデシカントローターを用いる例を特に説明したが、水蒸気輸送手段としてはこれに限られるものではない。例えば、予熱ゾーン１３に送入される予熱用ガスと、再生ゾーン１４に送入される再生用ガスとを水蒸気選択透過膜を介して接触させることにより、前記予熱用ガスから前記再生用ガスに水蒸気を移動させてもよい。あるいは、水蒸気選択吸着剤を充填した吸着層に、ガス流路を切り替える切替バルブを用いて、予熱ゾーン１３に送入される予熱用ガスと、再生ゾーン１４に送入される再生用ガスとを交互に流通することによっても、前記予熱用ガスから前記再生用ガスに水蒸気を移動させることができる。
なお、予熱ゾーン１３に送入される予熱用ガスの二酸化炭素濃度は通常２％～１０％程度（体積基準、以下同様）と高いのに対し、再生ゾーン１４に送入される再生用ガスの二酸化炭素濃度は０．２％～１％程度である。再生ゾーン１４に送入される再生用ガスの二酸化炭素濃度が高まると、再生ゾーン１４からの二酸化炭素の脱離が妨げられる。従って、水蒸気選択透過膜を用いる場合、水蒸気透過能に対して二酸化炭素透過能が十分低い選択透過性を水蒸気選択透過膜が有しなければ、予熱ゾーンから再生ゾーンへの二酸化炭素の移動が起こり、二酸化炭素回収の効率が低下する。ポリイミド膜などの高分子膜は、通常高い水蒸気選択透過性を有するので、本別実施形態の水蒸気選択透過膜として好適に利用できる。水蒸気選択吸着剤を用いる場合も、水蒸気吸着量が高く、二酸化炭素吸着量は低い選択吸着性が必要であり、例えばシリカゲルやゼオライトが水蒸気選択吸着剤として利用できる。水蒸気選択吸着剤を塗布したハニカムローターを用いて、連続的に予熱用ガスから水蒸気の吸着と再生用ガスへの水蒸気の脱着を行うと、予熱用ガスの循環路および再生用ガスの循環路の圧力損失を低く抑えつつ、効率的に予熱用ガスから再生用ガスに水蒸気を移動させることができる。
なお、予熱用ガスと前記再生用ガスとの水蒸気分圧の差を駆動力として、前記予熱用ガスから前記再生用ガスに水蒸気を移動させる操作を行う本別実施形態を、別実施形態〔２〕と併用する場合は、図３に示すようにデシカントローター２の後段でスチームの添加を行うのが良い。
【0082】
尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0083】
本発明は、大気に含まれる低濃度の二酸化炭素を回収して、高純度の二酸化炭素を得る装置および方法として利用することができる。
【符号の説明】
【0084】
１ ：ハニカムローター
１１ ：吸着ゾーン
１２ ：エアパージゾーン
１３ ：予熱ゾーン
１４ ：再生ゾーン
１５ ：予冷ゾーン
１６ ：低酸素濃度ガス回収ゾーン
１２０ ：低酸素濃度ガス循環部
１２１ ：ガス循環手段
１３０ ：予熱部
１３１ ：冷却手段（水分除去手段）
１３２ ：気水分離手段（水分除去手段）
１３３ ：予熱用ガス循環手段
１３４ ：予熱用加熱手段
１３５ ：酸化触媒層（酸素除去手段）
１４０ ：再生部
１４１ ：再生用ガス循環手段
１４２ ：二酸化炭素分離手段
１４３ ：再生用加熱手段
１５０ ：予冷部
１５１ ：冷却手段
１５２ ：予冷用ガス循環手段
２ ：デシカントローター（水蒸気輸送手段）
２１ ：水吸着部
２２ ：水脱離部
１１ ：吸着ゾーン
１２ ：エアパージゾーン
１３ ：予熱ゾーン
１４ ：再生ゾーン
１５ ：予冷ゾーン
１６ ：低酸素濃度ガス回収ゾーン
１２０ ：低酸素濃度ガス循環部
１２１ ：ガス循環手段
１３０ ：予熱部
１３１ ：冷却手段（水分除去手段）
１３２ ：気水分離手段（水分除去手段）
１３３ ：予熱用ガス循環手段
１３４ ：予熱用加熱手段
１３５ ：酸化触媒層（酸素除去手段）
１４０ ：再生部
１４１ ：再生用ガス循環手段
１４２ ：二酸化炭素分離手段
１４３ ：再生用加熱手段
１５０ ：予冷部
１５１ ：冷却手段
１５２ ：予冷用ガス循環手段
２ ：デシカントローター（水蒸気輸送手段）
２１ ：水吸着部
２２ ：水脱離部
【図1】
【図2】
【図3】