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WO2024224763A1 - 二酸化炭素の回収装置 - Google Patents

二酸化炭素の回収装置 Download PDF

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Publication number
WO2024224763A1
WO2024224763A1 PCT/JP2024/005403 JP2024005403W WO2024224763A1 WO 2024224763 A1 WO2024224763 A1 WO 2024224763A1 JP 2024005403 W JP2024005403 W JP 2024005403W WO 2024224763 A1 WO2024224763 A1 WO 2024224763A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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gas
carbon dioxide
separation device
pressure
desorbed
Prior art date
Application number
PCT/JP2024/005403
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
佑太 後藤
Original Assignee
日本特殊陶業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2023073147A external-priority patent/JP2024158173A/ja
Application filed by 日本特殊陶業株式会社 filed Critical 日本特殊陶業株式会社
Publication of WO2024224763A1 publication Critical patent/WO2024224763A1/ja

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Definitions

  • the present invention relates to a carbon dioxide recovery device that uses pressure swing adsorption.
  • Patent Document 1 In a carbon dioxide recovery system that uses pressure swing adsorption, which changes the affinity of carbon dioxide for an adsorbent depending on the pressure, the prior art disclosed in Patent Document 1 has a VPSA type separation device connected downstream of a VPSA type separation device that performs adsorption operation at near atmospheric pressure and desorbs and regenerates by reducing pressure with a vacuum pump.
  • VPSA separation equipment introduces some of the gas that has desorbed from the adsorbent in the adsorption tower as a cleaning gas into the adsorption tower, and by increasing the carbon dioxide concentration in the adsorption tower, captures high concentrations of carbon dioxide. Therefore, if a large amount of cleaning gas is introduced into the adsorption tower, the concentration of carbon dioxide that can be captured increases, but the amount of gas that can be captured decreases (recovery rate decreases). On the other hand, if the amount of cleaning gas is reduced, the recovery rate increases, but the carbon dioxide concentration decreases. To achieve both high concentration carbon dioxide capture and a high recovery rate, careful control of the amount of cleaning gas and the pressure in the adsorption tower is required.
  • the pressure in the downstream adsorption tower is the same as or lower than the pressure in the upstream adsorption tower.
  • the prior art is not sufficient to achieve both high concentration carbon dioxide recovery and a high recovery rate.
  • the present invention was made to solve this problem, and aims to provide a recovery device that can increase the recovery rate of high-concentration carbon dioxide.
  • the first aspect for achieving this object is a carbon dioxide recovery system including a first separation device that separates carbon dioxide from a gas containing carbon dioxide by pressure swing adsorption, and a second separation device connected downstream of the first separation device.
  • the first separation device includes an adsorption tower, a first pressurizing device that supplies a first pressurized gas obtained by pressurizing a gas to the adsorption tower, a vacuum pump that sucks a desorbed gas containing carbon dioxide desorbed from the adsorbent in the adsorption tower, and an introduction pipe that introduces a part of the desorbed gas as a cleaning gas into the adsorption tower.
  • the second separation device includes a concentration section and a second pressurizing device that supplies a second pressurized gas obtained by pressurizing the desorbed gas to the concentration section, and the concentration section concentrates the carbon dioxide contained in the second pressurized gas, and the pressure of the second pressurized gas is higher than the pressure of the first pressurized gas.
  • the second aspect is the first aspect, but with an adjustment mechanism disposed in a pipe connecting the vacuum pump and the concentration section, and the adjustment mechanism includes a bypass pipe that bypasses the suction side and discharge side of the second pressurizing device, and a control valve disposed in the bypass pipe.
  • the third aspect is the first or second aspect, further comprising an adjustment mechanism disposed in a pipe connecting the vacuum pump and the concentration section, the adjustment mechanism including a first gas tank disposed between the vacuum pump and the concentration section, and a control valve disposed between the first gas tank and the concentration section for adjusting the flow rate of the desorbed gas flowing from the first gas tank to the pipe.
  • the fourth aspect is any one of the first to third aspects, further comprising an adjustment mechanism disposed in a pipe connecting the vacuum pump and the concentration section, the adjustment mechanism including a second gas tank disposed between the vacuum pump and the concentration section.
  • the adjustment mechanism includes a pressure gauge disposed on the suction side of the second pressurizing device, and further includes a control device that adjusts the opening of the adjustment valve based on the pressure detected by the pressure gauge.
  • the adjustment mechanism includes a flow meter disposed downstream of the first gas tank, and further includes a control device that adjusts the opening of the control valve based on the flow rate detected by the flow meter.
  • a first pressurized gas obtained by pressurizing a gas containing carbon dioxide by a first pressurizing device is supplied to the adsorption tower, and the adsorbent in the adsorption tower adsorbs the carbon dioxide.
  • the desorbed gas containing carbon dioxide desorbed from the adsorbent is sucked into a vacuum pump, and a portion of the desorbed gas is introduced into the adsorption tower as a cleaning gas.
  • a second pressurized gas obtained by pressurizing the desorbed gas by a second pressurizing device is supplied to the concentration section, and the concentration section concentrates the carbon dioxide contained in the second pressurized gas. Because the pressure of the second pressurized gas is higher than the pressure of the first pressurized gas, the concentration of carbon dioxide in the gas to be recovered can be increased. Therefore, the recovery rate of high-concentration carbon dioxide can be increased.
  • FIG. 2 is a piping diagram of the recovery device according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a piping diagram of a recovery device according to a second embodiment.
  • FIG. 1 is a piping diagram of a recovery device 10 in a first embodiment.
  • the recovery device 10 is a device that recovers carbon dioxide contained in gas using pressure swing adsorption. Examples of gas include exhaust gas from power plants, factories, waste treatment facilities, natural gas fields, oil fields, etc.
  • the recovery device 10 comprises a first separation device 11 and a second separation device 12 connected downstream of the first separation device 11 by a pipe 13.
  • the first separation device 11 is a VPSA type separation device equipped with adsorption towers 14, 15, 16, a first pressurizing device 17, and a vacuum pump 18.
  • the first pressurizing device 17 pressurizes gas containing carbon dioxide and sends it to an air supply pipe 19.
  • the gas pressurized by the first pressurizing device 17 (first pressurized gas) is sent through the air supply pipe 19 to the adsorption towers 14, 15, 16.
  • the first pressurizing device 17 is a device for setting the adsorption towers 14, 15, 16 to appropriate pressures, and examples of this include a compressor or a blower.
  • the adsorption towers 14, 15, and 16 contain an adsorbent that adsorbs carbon dioxide.
  • adsorbents include activated carbon, zeolite, mesoporous silica, metal-organic frameworks (MOFs), and porous coordination polymers (PCPs).
  • the carbon dioxide contained in the first pressurized gas that enters the adsorption towers 14, 15, and 16 is adsorbed by the adsorbent, and the off-gas (gas with a lower carbon dioxide partial pressure than the first pressurized gas) is discharged from the exhaust pipe 20 (adsorption operation).
  • the control valves 24, 25, 26 are disposed in the air supply pipe 19 for each of the adsorption towers 14, 15, 16, and the control valves 27, 28, 29 are disposed in the exhaust pipe 20 for each of the adsorption towers 14, 15, 16.
  • the control valves 30, 31, 32 are disposed in the recovery pipe 21 for each of the adsorption towers 14, 15, 16, and the control valves 33, 34, 35 are disposed in the inlet pipe 23 for each of the adsorption towers 14, 15, 16. Therefore, by opening and closing the control valves so that the adsorption towers 14, 15, 16 perform the adsorption operation, desorption operation, and cleaning operation in sequence, the first desorbed gas rich in carbon dioxide can be continuously recovered from the recovery pipe 21.
  • the control valves 24-35 operate by receiving electrical signals from the control device 58.
  • the second separation device 12 includes a concentrating section 36 that concentrates carbon dioxide, and a second pressurizing device 39 that pressurizes the first desorbed gas obtained in the first separation device 11 and supplies it to the concentrating section 36.
  • the second separation device 12 is a PSA type separation device in which the concentrating section 36 includes adsorption towers 37 and 38.
  • the second pressure device 39 connected to the pipe 13 is a device for pressurizing the first desorbed gas to set the adsorption towers 37, 38 to an appropriate pressure, and examples of such devices include a compressor and a blower.
  • the adsorption towers 37, 38 contain an adsorbent that adsorbs carbon dioxide.
  • the first desorbed gas (second pressurized gas) pressurized by the second pressurizing device 39 is sent to the adsorption tower 37 through the air supply pipes 40, 41, and sent to the adsorption tower 38 through the air supply pipes 40, 42.
  • the carbon dioxide contained in the second pressurized gas that enters the adsorption towers 37, 38 is adsorbed by the adsorbent, and the off-gas is discharged from the exhaust pipes 47, 48, 49.
  • the first pressurizing device 17 and the second pressurizing device 39 are set so that the pressure of the second pressurized gas is higher than the pressure of the first pressurized gas.
  • Three-way valves (three-port valves) 43, 44 are provided on the air intake pipes 41, 42, respectively. Two ports of the three-way valve 43 are connected to the air intake pipe 41, and the remaining port is connected to the recovery pipe 45.
  • the three-way valve 43 switches between a flow path that flows the second pressurized gas from the air intake pipe 40 through the air intake pipe 41 to the adsorption tower 37, and a flow path that flows gas from the adsorption tower 37 to the recovery pipe 45, in response to an electrical signal from the control device 58.
  • Two ports of the three-way valve 44 are connected to the air intake pipe 42, and the remaining port is connected to the recovery pipe 45.
  • the three-way valve 44 switches between a flow path that passes the second pressurized gas from the air intake pipe 40 through the air intake pipe 42 to the adsorption tower 38 and a flow path that passes gas from the adsorption tower 38 to the recovery pipe 45 by an electrical signal from the control device 58.
  • a recovery pipe 46 is connected to the middle position of the recovery pipe 45 that connects the three-way valves 43 and 44 to each other.
  • a variable throttle valve 50 is connected between the exhaust pipe 47 and the exhaust pipe 48.
  • the exhaust pipes 47, 48, 49 and the variable throttle valve 50 are set so that the ratio of the flow rate of the intake pipe 41 or intake pipe 42 to the flow rate of the exhaust pipe 49 is in the range of 10:2 to 10:4, for example.
  • the variable throttle valve 50 is a needle valve type, and by changing the opening degree, the flow rate between the exhaust pipe 47 and the exhaust pipe 48 can be adjusted steplessly.
  • the variable throttle valve 50 is usually set to a constant opening degree.
  • the pressure in the adsorption tower 38 drops to near atmospheric pressure. This causes carbon dioxide to desorb from the adsorbent in the adsorption tower 38 (desorption operation).
  • the second desorbed gas which contains carbon dioxide desorbed from the adsorbent, passes through the air supply pipe 42 and recovery pipe 45 and is recovered from the recovery pipe 46.
  • the off-gas that enters the adsorption tower 38 from the adsorption tower 37 via the variable throttle valve 50 relatively lowers the carbon dioxide partial pressure in the adsorption tower 38, promoting the desorption of carbon dioxide from the adsorbent, and pushing the second desorbed gas in the adsorption tower 38 into the recovery pipe 46, purifying the adsorption tower 38 (purging operation).
  • the recovery device 10 is provided with a sensor (not shown) that detects the flow rate of the second desorbed gas flowing through the recovery pipe 46 and the concentration of carbon dioxide. Based on the detection results of the sensor, the control device 58 controls various devices such as the pressure devices 17 and 39 and adjustment valves so that the flow rate of the second desorbed gas and the concentration of carbon dioxide approach the target values.
  • the first desorbed gas containing carbon dioxide desorbed from the adsorbent in the first separation device 11 is sucked into the vacuum pump 18, and a part of the first desorbed gas is introduced into the adsorption towers 14, 15, and 16 from the inlet pipe 23 as a cleaning gas.
  • the second compression device 39 pressurizes the first desorbed gas, and the second pressurized gas obtained by pressurizing the first desorbed gas is supplied to the concentration section 36, which concentrates the carbon dioxide contained in the second pressurized gas.
  • the concentration of carbon dioxide in the second desorbed gas that has been treated by the concentration section 36 can be increased. Therefore, the recovery rate of high-concentration carbon dioxide can be increased.
  • the second separation device 12 of the PSA system can reduce the amount of adsorbent filled in the adsorption towers 37, 38 compared to the first separation device 11 of the VPSA system, so the volume of the adsorption towers 37, 38 can be made smaller than the volume of the adsorption towers 14, 15, 16. Therefore, the second separation device 12 can be made smaller than the first separation device 11. Since the pressure of the first pressurized gas is lower than the pressure of the second pressurized gas, the power consumption rate of the first separation device 11, including the first pressurizing device 17 that produces the first pressurized gas, can be made smaller than the power consumption rate of the second separation device 12. Therefore, the recovery device 10 can be made smaller and the power consumption rate can be reduced.
  • the second separation device 12 does not have a mechanism for introducing a portion of the second desorbed gas into the adsorption towers 37, 38 as a cleaning gas, so the carbon dioxide recovery rate can be increased to the extent that a portion of the second desorbed gas is not consumed as a cleaning gas.
  • An adjustment mechanism 51 is disposed in the pipe 13 connecting the first separation device 11 and the second separation device 12.
  • the adjustment mechanism 51 is a mechanism that buffers the processing capacity of the first separation device 11 and the processing capacity of the second separation device 12.
  • the adjustment mechanism 51 makes it possible to supply a sufficient amount of the first desorbed gas to the second separation device 12 when it is required by the second separation device 12.
  • the adjustment mechanism 51 is exemplified by a bypass pipe 52 that bypasses the suction side and discharge side of the second pressurizing device 39, and an adjustment valve 53 arranged in the bypass pipe 52.
  • Another adjustment mechanism 51 is exemplified by a first gas tank 22 arranged between the recovery pipe 21 and the introduction pipe 23, and an adjustment valve 55 arranged in the pipe 13 downstream of the first gas tank 22.
  • Another adjustment mechanism 51 is exemplified by a second gas tank 57 arranged in the pipe 13 between the vacuum pump 18 and the second pressurizing device 39.
  • the adjustment mechanism 51 has a bypass pipe 52 disposed downstream of the first gas tank 22, and a second gas tank 57 disposed between the first gas tank 22 and the bypass pipe 52, but this is not limited to this. It is of course possible to omit the second gas tank 57 and the bypass pipe 52 and place the first gas tank 22 and the adjustment valve 55, omit the first gas tank 22, the adjustment valve 55, and the bypass pipe 52 and place the second gas tank 57, or omit the first gas tank 22, the adjustment valve 55, and the second gas tank 57 and place the bypass pipe 52 and the adjustment valve 53.
  • the first gas tank 22 stores the first desorbed gas produced by the first separation device 11 concentrating carbon dioxide
  • the control valve 55 sets the flow rate at which the first desorbed gas stored in the first gas tank 22 flows into the pipe 13.
  • the opening of the control valve 55 is set to the flow rate of the first desorbed gas required by the second separation device 12. If the processing capacity of the first separation device 11 is set to be greater than the processing capacity of the second separation device 12, the first gas tank 22 and the control valve 55 can buffer the processing capacity of the first separation device 11 from the processing capacity of the second separation device 12.
  • a flowmeter 56 is disposed in the pipe 13 downstream of the control valve 55.
  • the control device 58 adjusts the opening of the control valve 55 based on the flow rate detected by the flowmeter 56.
  • the control device 58 increases the opening of the control valve 55.
  • the control device 58 decreases the opening of the control valve 55. This makes it possible to buffer the processing capacity of the first separation device 11 from the processing capacity of the second separation device 12 even when the processing capacity of the first separation device 11 and the processing capacity of the second separation device 12 are balanced.
  • the second gas tank 57 stores the first desorbed gas produced by the first separation device 11, which is a concentrated form of carbon dioxide.
  • the flow rate at which the first desorbed gas stored in the second gas tank 57 is sent to the second pressure device 39 is set according to the diameter of the pipe 13 downstream of the second gas tank 57.
  • the flow rate at which the second gas tank 57 sends to the second pressure device 39 is set to the flow rate of the first desorbed gas required by the second separation device 12. If the processing capacity of the first separation device 11 is set to be greater than the processing capacity of the second separation device 12, the second gas tank 57 can buffer the processing capacity of the first separation device 11 and the processing capacity of the second separation device 12.
  • the first desorbed gas moves from the high pressure side to the low pressure side through the bypass pipe 52.
  • the pressure on the suction side of the second pressurizing device 39 is lower than the pressure on the discharge side, the first desorbed gas moves from the discharge side to the suction side through the bypass pipe 52, and the pressure on the suction side can be increased.
  • the pressure on the suction side is approximately equal to the pressure of the introduction pipe 23
  • the pressure in the adsorption towers 14, 15, and 16 during the adsorption operation is low, the amount of carbon dioxide adsorbed by the adsorbent is reduced, and the carbon dioxide concentration in the first desorbed gas may decrease.
  • the bypass pipe 52 is arranged, the pressure in the adsorption towers 14, 15, and 16 of the first separation device 11 can be secured, and the carbon dioxide concentration in the first desorbed gas can be secured.
  • a pressure gauge 54 is disposed in the pipe 13 on the suction side of the second pressurizing device 39.
  • the control device 58 opens and closes the control valve 53 based on the pressure detected by the pressure gauge 54.
  • the control device 58 closes the control valve 53 when the pressure detected by the pressure gauge 54 is equal to or higher than the target pressure value of the adsorption towers 14, 15, 16 during the adsorption operation, and opens the control valve 53 when the pressure detected by the pressure gauge 54 is lower than the target pressure value of the adsorption towers 14, 15, 16 during the adsorption operation.
  • the concentrating section 36 of the second separation device 12 is described as having adsorption towers 37, 38 filled with an adsorbent (solid absorbent material).
  • the concentrating section 62 is described as having a carbon dioxide separation membrane.
  • the same parts as those described in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the following description will be omitted.
  • FIG. 2 is a piping diagram of the recovery device 60 in the second embodiment.
  • the recovery device 60 includes a first separation device 11 and a second separation device 61 connected downstream of the first separation device 11 by a pipe 13.
  • An adjustment mechanism 51 is disposed between the first separation device 11 and the second separation device 61.
  • the second separation device 61 includes a second pressure device 39 that pressurizes the first desorbed gas obtained in the first separation device 11 and supplies it to the concentration section 62, and the concentration section 62 that concentrates carbon dioxide.
  • the concentrating section 62 includes a separation membrane that has selective permeability to carbon dioxide.
  • the separation membrane separates carbon dioxide by utilizing differences in gas transfer speed based on differences in molecular size and affinity to the membrane material.
  • the pressure of the gas on the supply side is made higher than the pressure of the gas on the permeation side.
  • the separation membrane can be appropriately selected from known membranes such as molecular sieve membranes, dendrimer membranes, and amine group-containing membranes. There are no restrictions on the shape of the separation membrane, and any shape can be selected, such as a plate, a tube, or a hollow fiber.
  • the second pressurizing device 39 pressurizes the first desorbed gas, and the second pressurized gas obtained by pressurizing the first desorbed gas is supplied to the concentration section 62, which concentrates the carbon dioxide contained in the second pressurized gas. Since the pressure of the second pressurized gas is higher than the pressure of the first pressurized gas, the concentration of carbon dioxide in the second desorbed gas that has been processed by the concentration section 62 can be increased. This makes it possible to increase the recovery rate of high-concentration carbon dioxide.
  • the concentrating section 62 which includes a separation membrane, can reduce the power consumption per unit of electricity compared to the PSA type concentrating section 36 in the first embodiment. Therefore, a recovery device 60 with a low power consumption per unit of electricity can be realized.
  • the piping system of the recovery device 10 is an example and can be set as appropriate.
  • the first separation device 11 is equipped with three adsorption towers 14, 15, and 16, and the second separation device 12 is equipped with two adsorption towers 37, 38, but this is not necessarily limited to this.
  • the number of adsorption towers in the first separation device 11 and the second separation device 12 can be set to one or more as appropriate.
  • a second separation device 12 of the PSA type is provided downstream of a first separation device 11 of the VPSA type, but this is not necessarily limited to this. It is of course possible to provide a second separation device of the VPSA type downstream of a first separation device 11 of the VPSA type.
  • the second separation device 12 is described as using the variable throttle valve 50 to connect the exhaust pipe 47 and the exhaust pipe 48, but this is not necessarily limited to this.
  • the exhaust pipe 47 and the exhaust pipe 48 may be connected in parallel by multiple orifices, and an opening/closing valve may be provided for each orifice.
  • the flow rate between the exhaust pipe 47 and the exhaust pipe 48 can be adjusted by controlling the opening/closing valve. It is of course possible to connect the exhaust pipe 47 and the exhaust pipe 48 using an orifice with a fixed opening so that it is not necessary to adjust the flow rate between the exhaust pipe 47 and the exhaust pipe 48. Also, it is of course possible to arrange multiple valves to achieve the function of a three-way valve instead of the three-way valves 43 and 44.

Landscapes

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Abstract

高濃度の二酸化炭素の回収率を高くできる回収装置(10)を提供する。回収装置は、二酸化炭素を含むガスから圧力スイング吸着により二酸化炭素を分離する第1の分離装置(11)と、第1の分離装置の下流に接続された第2の分離装置(12)と、を備え、第1の分離装置は、吸着塔(14)と、ガスを加圧して得られた第1加圧ガスを吸着塔に供給する第1の加圧装置(17)と、吸着塔の中の吸着剤から脱離した二酸化炭素を含む脱離ガスを吸引する真空ポンプ(18)と、脱離ガスの一部を洗浄用ガスとして吸着塔に導入する導入管(23)と、を含む。第2の分離装置は、濃縮部(36)と、脱離ガスを加圧して得られた第2加圧ガスを濃縮部に供給する第2の加圧装置(39)と、を含み、濃縮部は第2加圧ガスに含まれる二酸化炭素を濃縮し、第2加圧ガスの圧力は第1加圧ガスの圧力よりも高い。

Description

二酸化炭素の回収装置
 本発明は圧力スイング吸着を利用した二酸化炭素の回収装置に関する。
 吸着剤に対する二酸化炭素の親和性を圧力により変化させる圧力スイング吸着を利用した二酸化炭素の回収装置において、特許文献1に開示された先行技術は、大気圧付近で吸着操作し真空ポンプで減圧して脱離再生するVPSA方式の分離装置の下流に、VPSA方式の別の分離装置が接続されている。
特許第3084248号公報
 VPSA方式の分離装置は、吸着塔の中の吸着剤から脱離したガスの一部を洗浄用ガスとして吸着塔へ導入し、吸着塔内の二酸化炭素濃度を高めることによって高濃度の二酸化炭素を回収する。そのため吸着塔へ導入する洗浄用ガスの量が多くなると、回収できる二酸化炭素の濃度は高くなるが、回収できるガスの量は少なくなる(回収率は低くなる)。一方、洗浄用ガスの量を少なくすると、回収率は高くなるが二酸化炭素の濃度は低下する。高濃度の二酸化炭素の回収と高い回収率とを両立するには、洗浄用ガスの量や吸着塔の圧力の細かな制御が必要である。
 先行技術は、上流の分離装置および下流の分離装置に送風機が接続されているため、下流の吸着塔の圧力は、上流の吸着塔の圧力と同程度、又は、上流の吸着塔の圧力に比べて低くなる。先行技術は高濃度の二酸化炭素の回収と高い回収率との両立が十分ではない。
 本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、高濃度の二酸化炭素の回収率を高くできる回収装置を提供することを目的とする。
 この目的を達成するための第1の態様は、二酸化炭素を含むガスから圧力スイング吸着により二酸化炭素を分離する第1の分離装置と、第1の分離装置の下流に接続された第2の分離装置と、を備える二酸化炭素の回収装置であって、第1の分離装置は、吸着塔と、ガスを加圧して得られた第1加圧ガスを吸着塔に供給する第1の加圧装置と、吸着塔の中の吸着剤から脱離した二酸化炭素を含む脱離ガスを吸引する真空ポンプと、脱離ガスの一部を洗浄用ガスとして吸着塔に導入する導入管と、を含む。第2の分離装置は、濃縮部と、脱離ガスを加圧して得られた第2加圧ガスを濃縮部に供給する第2の加圧装置と、を含み、濃縮部は第2加圧ガスに含まれる二酸化炭素を濃縮し、第2加圧ガスの圧力は第1加圧ガスの圧力よりも高い。
 第2の態様は、第1の態様において、真空ポンプと濃縮部とを接続する管に配置された調整機構を備え、調整機構は、第2の加圧装置の吸い込み側と吐出側とを迂回するバイパス管と、バイパス管に配置された調節弁と、を含む。
 第3の態様は、第1又は第2の態様において、真空ポンプと濃縮部とを接続する管に配置された調整機構を備え、調整機構は、真空ポンプと濃縮部との間に配置された第1のガスタンクと、第1のガスタンクと濃縮部との間に配置され第1のガスタンクから管に流れる脱離ガスの流量を調節する調節弁と、を含む。
 第4の態様は、第1から第3の態様のいずれかにおいて、真空ポンプと濃縮部とを接続する管に配置された調整機構を備え、調整機構は、真空ポンプと濃縮部との間に配置された第2のガスタンクを含む。
 第5の態様は、第2の態様において、調整機構は、第2の加圧装置の吸い込み側に配置された圧力計を含み、圧力計が検知した圧力に基づいて調節弁の開度を調節する制御装置をさらに備える。
 第6の態様は、第3の態様において、調整機構は、第1のガスタンクの下流側に配置された流量計を含み、流量計が検知した流量に基づいて調節弁の開度を調節する制御装置をさらに備える。
 回収装置によれば、二酸化炭素を含むガスを第1の加圧装置が加圧して得た第1加圧ガスが吸着塔に供給され、吸着塔の中の吸着剤は二酸化炭素を吸着する。吸着剤から脱離した二酸化炭素を含む脱離ガスが真空ポンプに吸引され、脱離ガスの一部が、洗浄用ガスとして吸着塔に導入される。洗浄用ガスの量を少なくすることにより、二酸化炭素に富んだ多量の脱離ガスを第2の分離装置へ供給できる。脱離ガスを第2の加圧装置が加圧して得た第2加圧ガスが濃縮部に供給され、第2加圧ガスに含まれる二酸化炭素を濃縮部が濃縮する。第2加圧ガスの圧力は第1加圧ガスの圧力よりも高いため、回収するガス中の二酸化炭素の濃度を高められる。従って高濃度の二酸化炭素の回収率を高くできる。
第1実施の形態における回収装置の配管系統図である。 第2実施の形態における回収装置の配管系統図である。
 以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。図1は第1実施の形態における回収装置10の配管系統図である。回収装置10は、圧力スイング吸着を利用して、ガスに含まれる二酸化炭素を回収する装置である。ガスは、例えば発電所、工場、廃棄物処理施設、天然ガス田、油田などから出る排ガスが例示される。回収装置10は、第1の分離装置11と、第1の分離装置11の下流に管13で接続された第2の分離装置12と、を備えている。
 第1の分離装置11は、吸着塔14,15,16と、第1の加圧装置17と、真空ポンプ18と、を備えたVPSA方式の分離装置である。第1の加圧装置17は二酸化炭素を含むガスを加圧して給気管19に送る。第1の加圧装置17によって加圧されたガス(第1加圧ガス)は給気管19を通って吸着塔14,15,16へ送られる。第1の加圧装置17は吸着塔14,15,16を適切な圧力に設定するための装置であり、圧縮機やブロワーが例示される。
 吸着塔14,15,16の中には二酸化炭素を吸着する吸着剤が収容されている。吸着剤は、活性炭、ゼオライト、メソポーラスシリカ、金属-有機構造体(MOF)、多孔性配位高分子(PCP)が例示される。吸着塔14,15,16に入った第1加圧ガスに含まれる二酸化炭素は吸着剤に吸着され、オフガス(第1加圧ガスに比べて二酸化炭素分圧が低いガス)は排気管20から排出される(吸着操作)。
 回収管21に接続された真空ポンプ18によって吸着塔14,15,16が減圧されると吸着剤から二酸化炭素が脱離し、二酸化炭素が濃縮された吸着塔14,15,16の中のガス(第1脱離ガス)は回収管21から第1のガスタンク22へ入る(脱離操作)。第1のガスタンク22に接続された導入管23から、第1脱離ガスの一部が洗浄用ガスとして吸着塔14,15,16へ導入され、吸着塔14,15,16内の不要な成分を排気管20から排出する(洗浄操作)。これにより吸着塔14,15,16内の二酸化炭素濃度が高められる。
 調節弁24,25,26は吸着塔14,15,16毎に給気管19に配置され、調節弁27,28,29は吸着塔14,15,16毎に排気管20に配置されている。調節弁30,31,32は吸着塔14,15,16毎に回収管21に配置され、調節弁33,34,35は吸着塔14,15,16毎に導入管23に配置されている。従って吸着操作、脱離操作、洗浄操作を吸着塔14,15,16が順に行うように調節弁を開閉することにより、二酸化炭素に富む第1脱離ガスを回収管21から連続的に回収できる。調節弁24-35は制御装置58からの電気信号を受け取って作動する。
 第2の分離装置12は、二酸化炭素を濃縮する濃縮部36と、第1の分離装置11で得られた第1脱離ガスを加圧して濃縮部36へ供給する第2の加圧装置39と、を備えている。本実施形態では第2の分離装置12は、濃縮部36が、吸着塔37,38を含むPSA方式の分離装置である。
 管13に接続された第2の加圧装置39は、第1脱離ガスを加圧して吸着塔37,38を適切な圧力に設定するための装置であり、圧縮機やブロワーが例示される。吸着塔37,38には二酸化炭素を吸着する吸着剤が収容されている。
 第2の加圧装置39によって加圧された第1脱離ガス(第2加圧ガス)は、給気管40,41を通って吸着塔37へ送られ、給気管40,42を通って吸着塔38へ送られる。吸着塔37,38に入った第2加圧ガスに含まれる二酸化炭素は吸着剤に吸着され、オフガスは排気管47,48,49から排出される。第1の加圧装置17及び第2の加圧装置39は、第2加圧ガスの圧力が、第1加圧ガスの圧力よりも高くなるように設定されている。
 給気管41,42にはそれぞれ三方弁(3ポート弁)43,44が配置されている。三方弁43の2つのポートは給気管41に接続されており、残りの1つのポートは回収管45に接続されている。三方弁43は、制御装置58からの電気信号により、給気管40から給気管41を通って吸着塔37へ第2加圧ガスを流す流路と、吸着塔37から回収管45へガスを流す流路と、に切り替わる。
 三方弁44の2つのポートは給気管42に接続されており、残りの1つのポートは回収管45に接続されている。三方弁44は、制御装置58からの電気信号により、給気管40から給気管42を通って吸着塔38へ第2加圧ガスを流す流路と、吸着塔38から回収管45へガスを流す流路と、に切り替わる。三方弁43,44を互いに接続する回収管45の中間の位置に回収管46が接続されている。
 排気管47と排気管48との間に可変絞り弁50が接続されている。排気管47,48,49及び可変絞り弁50は、給気管41又は給気管42の流量と排気管49の流量との比が、例えば10:2から10:4の範囲になるように設定されている。可変絞り弁50はニードル弁形であり、開度を変えることにより排気管47と排気管48との間の流量を無段階に調整できる。可変絞り弁50は、通常は開度が一定に設定されている。
 第2の分離装置12の操作方法の一例を説明する。三方弁43,44に流路を設定し、第2の加圧装置39を作動して吸着塔38を第2加圧ガスで加圧した後、三方弁43,44に異なる流路を設定し、第2加圧ガスを吸着塔37へ送ると、第2加圧ガスに含まれる二酸化炭素は吸着剤に吸着され、オフガス(第2加圧ガスに比べて二酸化炭素分圧が低いガス)は排気管47,49から排出される(吸着操作)。オフガスの一部は、可変絞り弁50を通って吸着塔38に入る。
 一方、吸着塔38の圧力は大気圧付近まで低下する。これにより吸着塔38の吸着剤から二酸化炭素は脱離する(脱離操作)。吸着剤から脱離した二酸化炭素を含む第2脱離ガスは、給気管42、回収管45を通って回収管46から回収される。吸着塔37から可変絞り弁50を経て吸着塔38に入ったオフガスは、吸着塔38の二酸化炭素分圧を相対的に下げ、吸着剤から二酸化炭素の脱離を進め、吸着塔38の中の第2脱離ガスを回収管46へ押し出し、吸着塔38を浄化する(パージ操作)。
 制御装置58によって三方弁43,44の流路の設定を繰り返し切り替えると、吸着塔37の吸着操作と吸着塔38の脱離操作およびパージ操作と、吸着塔37の脱離操作およびパージ操作と吸着塔38の吸着操作と、が交互に行われる。これにより濃縮された二酸化炭素を含む第2脱離ガスを回収管46から連続的に回収できる。
 回収装置10には、回収管46を流れる第2脱離ガスの流量や二酸化炭素の濃度を検知するセンサ(図示せず)が設けられている。制御装置58はセンサの検知結果に基づき、第2脱離ガスの流量や二酸化炭素の濃度が目標値に近づくように、加圧装置17,39等の各種装置や調節弁等を制御する。
 回収装置10によれば、第1の分離装置11の吸着剤から脱離した二酸化炭素を含む第1脱離ガスが真空ポンプ18に吸引され、第1脱離ガスの一部が、洗浄用ガスとして導入管23から吸着塔14,15,16に導入される。洗浄用ガスの量を適度に少なくすることにより、二酸化炭素に富んだ多量の第1脱離ガスを第2の分離装置12へ供給できる。第2の加圧装置39は第1脱離ガスを加圧し、第1脱離ガスが加圧された第2加圧ガスが濃縮部36に供給され、第2加圧ガスに含まれる二酸化炭素を濃縮部36が濃縮する。第2加圧ガスの圧力は第1加圧ガスの圧力よりも高いため、濃縮部36による処理を経た第2脱離ガス中の二酸化炭素の濃度を高められる。従って高濃度の二酸化炭素の回収率を高くできる。
 PSA方式の第2の分離装置12は、VPSA方式の第1の分離装置11に比べて吸着塔37,38に充填される吸着剤の量を少なくできるため、吸着塔37,38の体積を吸着塔14,15,16の体積よりも小さくできる。従って第1の分離装置11に比べて第2の分離装置12を小型化できる。第1加圧ガスの圧力は第2加圧ガスの圧力よりも低いため、第1加圧ガスを作る第1の加圧装置17等を含む第1の分離装置11の電力原単位を、第2の分離装置12の電力原単位に比べて小さくできる。従って回収装置10の小型化と電力原単位の低減とを実現できる。
 第2の分離装置12は、第2脱離ガスの一部を洗浄用ガスとして吸着塔37,38へ導入する機構がないため、第2脱離ガスの一部が洗浄用ガスとして消費されない分だけ、二酸化炭素の回収率を高くできる。
 第1の分離装置11と第2の分離装置12とを接続する管13に調整機構51が配置されている。調整機構51は、第1の分離装置11の処理能力と第2の分離装置12の処理能力とを緩衝する機構である。調整機構51により、第2の分離装置12が必要とするときに十分量の第1脱離ガスを第2の分離装置12に供給できる。
 調整機構51は、第2の加圧装置39の吸い込み側と吐出側とを迂回するバイパス管52と、バイパス管52に配置された調節弁53と、が例示される。別の調整機構51は、回収管21と導入管23との間に配置された第1のガスタンク22と、第1のガスタンク22の下流の管13に配置された調節弁55と、が例示される。別の調整機構51は、真空ポンプ18と第2の加圧装置39との間の管13に配置された第2のガスタンク57が例示される。
 本実施形態では調整機構51は、第1のガスタンク22の下流にバイパス管52が配置され、第1のガスタンク22とバイパス管52との間に第2のガスタンク57が配置されているが、これに限られるものではない。第2のガスタンク57とバイパス管52とを省いて、第1のガスタンク22及び調節弁55を配置したり、第1のガスタンク22及び調節弁55とバイパス管52とを省いて第2のガスタンク57を配置したり、第1のガスタンク22及び調節弁55と第2のガスタンク57とを省いて、バイパス管52及び調節弁53を配置したりすることは当然可能である。
 第1のガスタンク22は、第1の分離装置11が二酸化炭素を濃縮した第1脱離ガスを蓄え、調節弁55は、第1のガスタンク22に蓄えられた第1脱離ガスを管13へ流す流量を設定する。調節弁55の開度は、第2の分離装置12が必要とする第1脱離ガスの流量に設定される。第1の分離装置11の処理能力を第2の分離装置12の処理能力よりも大きくしておけば、第1のガスタンク22及び調節弁55によって第1の分離装置11の処理能力と第2の分離装置12の処理能力とを緩衝できる。
 調節弁55の下流の管13に流量計56が配置されている。制御装置58は流量計56が検知した流量に基づき、調節弁55の開度を調整する。制御装置58は、流量計56が検知した流量が、第2の分離装置12が必要とする流量よりも少ないときは、調節弁55の開度を大きくする。制御装置58は、流量計56が検知した流量が、第2の分離装置12が必要とする流量(閾値)よりも多いときは、調節弁55の開度を小さくする。これにより第1の分離装置11の処理能力と第2の分離装置12の処理能力とが均衡しているときも、第1の分離装置11の処理能力と第2の分離装置12の処理能力とを緩衝できる。
 第2のガスタンク57は、第1の分離装置11が二酸化炭素を濃縮した第1脱離ガスを蓄える。第2のガスタンク57の下流の管13の太さにより、第2のガスタンク57に蓄えられた第1脱離ガスを第2の加圧装置39へ流す流量が設定される。第2のガスタンク57が第2の加圧装置39へ流す流量は、第2の分離装置12が必要とする第1脱離ガスの流量に設定される。第1の分離装置11の処理能力を第2の分離装置12の処理能力よりも大きくしておけば、第2のガスタンク57によって第1の分離装置11の処理能力と第2の分離装置12の処理能力とを緩衝できる。
 第2の加圧装置39の吸い込み側と吐出側とを迂回するバイパス管52に配置された調節弁53が開いていると、圧力の高い側から低い側へバイパス管52を通って第1脱離ガスが移動する。第2の加圧装置39の吸い込み側の圧力が吐出側の圧力よりも低いときは、バイパス管52を通って吐出側から吸い込み側へ第1脱離ガスが移動し、吸い込み側の圧力を高くすることができる。吸込み側の圧力は導入管23の圧力とほぼ等しいため、吸い込み側の圧力が低いときは、吸着操作のときの吸着塔14,15,16の圧力が低くなり、吸着剤に吸着される二酸化炭素の量が少なくなり、第1脱離ガス中の二酸化炭素濃度が低下するおそれがある。バイパス管52が配置されていると、第1の分離装置11の吸着塔14,15,16の圧力を確保できるため、第1脱離ガス中の二酸化炭素濃度を確保できる。
 第2の加圧装置39の吸い込み側の管13に圧力計54が配置されている。制御装置58は圧力計54が検知した圧力に基づき、調節弁53を開閉する。制御装置58は、圧力計54が検知した圧力が、吸着操作のときの吸着塔14,15,16の圧力の目標値以上のときは調節弁53を閉じ、吸着操作のときの吸着塔14,15,16の圧力の目標値よりも低いときは調節弁53を開く。これにより第2の加圧装置39の吸い込み側の圧力および導入管23の圧力を上げることができるため、第1の分離装置11の吸着塔14,15,16の圧力を確保し、第1脱離ガス中の二酸化炭素濃度を確保できる。
 図2を参照して第2実施の形態について説明する。第1実施形態では第2の分離装置12の濃縮部36が、吸着剤(固体吸収材)が充填された吸着塔37,38を備える場合について説明した。これに対し第2実施形態では、濃縮部62が二酸化炭素の分離膜を備える場合について説明する。第2実施形態は、第1実施形態で説明した部分と同一の部分に同一の符号を付して以下の説明を省略する。
 図2は第2実施の形態における回収装置60の配管系統図である。回収装置60は、第1の分離装置11と、管13で第1の分離装置11の下流に接続された第2の分離装置61と、を備えている。第1の分離装置11と第2の分離装置61との間に調整機構51が配置されている。第2の分離装置61は、第1の分離装置11で得られた第1脱離ガスを加圧して濃縮部62へ供給する第2の加圧装置39と、二酸化炭素を濃縮する濃縮部62と、を備えている。
 濃縮部62は、二酸化炭素の選択透過性を有する分離膜を含む。分離膜は、分子サイズや膜材料への親和性の違いに基づくガス移動速度の違いを利用して二酸化炭素を分離する。供給側のガスの圧力を透過側のガスの圧力よりも高くする。分離膜は、分子ふるい膜、デンドリマー膜、アミン基含有膜など、公知のものから適宜選択して用いることができる。分離膜の形状に制限はなく、板状、筒状、中空糸状など任意の形状を選択できる。
 回収装置60は、第2の加圧装置39が第1脱離ガスを加圧し、第1脱離ガスが加圧された第2加圧ガスが濃縮部62に供給され、濃縮部62は、第2加圧ガスに含まれる二酸化炭素を濃縮する。第2加圧ガスの圧力は第1加圧ガスの圧力よりも高いため、濃縮部62による処理を経た第2脱離ガス中の二酸化炭素の濃度を高められる。従って高濃度の二酸化炭素の回収率を高くできる。
 分離膜を含む濃縮部62は、第1実施の形態におけるPSA方式の濃縮部36に比べ、電力原単位を低減できる。従って電力原単位の小さい回収装置60を実現できる。
 以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。
 例えば回収装置10の配管系統は一例であり、適宜設定できる。実施形態では第1の分離装置11が3つの吸着塔14,15,16を備え、第2の分離装置12が2つの吸着塔37,38を備える場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。第1の分離装置11及び第2の分離装置12の吸着塔は1つ以上の数に適宜設定される。
 第1実施形態ではVPSA方式の第1の分離装置11の下流にPSA方式の第2の分離装置12を設ける場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。VPSA方式の第1の分離装置11の下流にVPSA方式の第2の分離装置を設けることは当然可能である。
 実施形態では第2の分離装置12が、可変絞り弁50を用いて排気管47と排気管48との間をつなぐ場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。可変絞り弁50に代えて、排気管47と排気管48との間を複数のオリフィスで並列につなぎ、開閉弁をオリフィス毎に設けても良い。この場合も開閉弁を制御して排気管47と排気管48との間の流量を調節できる。排気管47と排気管48との間の流量を調節しなくても済むように、開度が一定のオリフィスを用いて排気管47と排気管48との間をつなぐことは当然可能である。また、三方弁43,44に代えて、三方弁の機能を実現するための複数のバルブを配置することは当然可能である。
 10,60 回収装置
 11    第1の分離装置
 12,61 第2の分離装置
 13    管
 14,15,16 吸着塔
 17    第1の加圧装置
 18    真空ポンプ
 23    導入管
 36,62 濃縮部
 39    第2の加圧装置
 22    第1のガスタンク
 51    調整機構
 52    バイパス管
 53    調節弁
 54    圧力計
 55    調節弁
 56    流量計
 57    第2のガスタンク
 58    制御装置

Claims (6)

  1.  二酸化炭素を含むガスから圧力スイング吸着により二酸化炭素を分離する第1の分離装置と、
     前記第1の分離装置の下流に接続された第2の分離装置と、を備える二酸化炭素の回収装置であって、
     前記第1の分離装置は、
     吸着塔と、
     前記ガスを加圧して得られた第1加圧ガスを前記吸着塔に供給する第1の加圧装置と、
     前記吸着塔の中の吸着剤から脱離した二酸化炭素を含む脱離ガスを吸引する真空ポンプと、
     前記脱離ガスの一部を洗浄用ガスとして前記吸着塔に導入する導入管と、を含み、
     前記第2の分離装置は、
     濃縮部と、
     前記脱離ガスを加圧して得られた第2加圧ガスを前記濃縮部に供給する第2の加圧装置と、を含み、
     前記濃縮部は、前記第2加圧ガスに含まれる二酸化炭素を濃縮し、
     前記第2加圧ガスの圧力は、前記第1加圧ガスの圧力よりも高い回収装置。
  2.  前記真空ポンプと前記濃縮部とを接続する管に配置された調整機構を備え、
     前記調整機構は、前記第2の加圧装置の吸い込み側と吐出側とを迂回するバイパス管と、
     前記バイパス管に配置された調節弁と、を含む請求項1記載の回収装置。
  3.  前記真空ポンプと前記濃縮部とを接続する管に配置された調整機構を備え、
     前記調整機構は、前記真空ポンプと前記濃縮部との間に配置された第1のガスタンクと、
     前記第1のガスタンクと前記濃縮部との間に配置され前記第1のガスタンクから前記管に流れる前記脱離ガスの流量を調節する調節弁と、を含む請求項1記載の回収装置。
  4.  前記真空ポンプと前記濃縮部とを接続する管に配置された調整機構を備え、
     前記調整機構は、前記真空ポンプと前記濃縮部との間に配置された第2のガスタンクを含む請求項1記載の回収装置。
  5.  前記調整機構は、前記第2の加圧装置の吸い込み側に配置された圧力計を含み、
     前記圧力計が検知した圧力に基づいて前記調節弁の開度を調節する制御装置をさらに備える請求項2記載の回収装置。
  6.  前記調整機構は、前記第1のガスタンクの下流側に配置された流量計を含み、
     前記流量計が検知した流量に基づいて前記調節弁の開度を調節する制御装置をさらに備える請求項3記載の回収装置。
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