(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスに含まれる特定の成分を吸着する吸着塔であって、
前記特定の成分を吸着する吸着剤が内部に充填されるシェルと、
前記シェルの内部に設けられ、前記吸着剤と熱交換を行う熱媒が流れる複数のチューブと、
前記シェルを上下に貫通するように設けられ、該シェル内に前記ガスを流通させると共に前記吸着剤の充填および回収を可能にする開口部と、を備え、
前記複数のチューブは、前記シェルの内部を横断するように配設されており、
前記シェルの内部は、前記開口を介して流通する前記ガスが上または下へ流れると共に、該ガスの流路の大きさが上から下まで略一定である、
吸着塔。
【請求項２】
前記シェルの内部は、該シェルが方形の筐体で構成されることにより、該ガスの流路の大きさが上から下まで略一定となる、
請求項１に記載の吸着塔。
【請求項３】
前記シェルの内部は、複数の部屋に区画されており、
前記開口部は、前記シェル内の部屋毎に該シェルを上下に貫通するように設けられ、該シェル内の各部屋に前記ガスを流通させると共に前記吸着剤の部屋毎の充填および回収を可能にする、
請求項１または２に記載の吸着塔。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸着塔に関する。
【背景技術】
【０００２】
排ガスから二酸化炭素を回収する方法の一つに溶液吸収法がある。溶液吸収法は、ＣＯ２を化学的に吸収できる熱炭酸カリウム水溶液やアミン水溶液を吸収塔と再生塔との間で循環させ、吸収塔内部に充填されたラシヒリングやポールリング等の充填物の表面を介して、塔頂からの溶液と塔底部からのガスを常温で直接接触させ、溶液内にガス中のＣＯ２を選択的に化学吸収させる。そして、そのＣＯ２吸収液を再生塔の塔頂から下部に向けて落下させ、吸収塔と同様に、内部に充填された充填物の表面を介して、塔底より熱源を受けて上昇する１００〜１２０℃の水蒸気と直接接触させ、ＣＯ２を分離し、塔頂から取り出し、冷却して回収する。ＣＯ２を分離した溶液は、再び吸収溶液として吸収塔へ再循環される。このような溶液吸収法は、比較的高効率で、圧力を問わず適用できる事等を特長とするが、湿式であるため、製品ガス中に水分や溶液成分の一部など、不純物の混入が懸念される。また熱炭酸カリウムは強い腐食性を有するため、材質面で、ステンレス材を選定するか、或いは炭素鋼にＶ２Ｏ５等のコーティング材を施工して使用する必要がある。
【０００３】
溶液吸収法以外の方法として、化学吸着によるＴＳＡ（Thermal Swing Adsorption）法またはＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）法がある。これらの方法は、活性炭や多孔質樹脂等の担体に、炭酸カリウムやアミン等の化学吸着成分を担持させた吸着剤を使用し、吸着剤の温度や圧力による化学的吸着能力の差を利用して、ＣＯ２を吸脱着させ回収するもので、通常２〜４系統の吸着塔を吸着工程と脱着工程に交互に切り替えて、連続的に分離回収する仕組みになっている。圧力差に比べて、温度差に対する吸着能力が大きく変化するので、ＴＳＡ方式単独又はＰＳＡ方式との組み合わせ方式が一般的である。ＴＳＡ方式の場合は、低圧での操作が可能であるほか、ガス中に含まれる水分の影響が少ないので、前処理が不要で、再生ガスとして蒸気を直接導入することも可能である。従ってシステムが簡易なため、回収コストの面からは比較的有利であるが、回収ＣＯ２ガスに水分やアミン等吸着剤成分の混入が懸念される。
【０００４】
その他の方法として、物理吸着によるＴＳＡ法又はＰＳＡ法がある。これらの方法は、合成ゼオライト、活性アルミナ、セラミックス、多孔質ガラス、多孔質樹脂等の物理吸着剤（モレキュラシーブス）を使用し、吸着剤の温度や圧力に対する吸着能力の差を利用して、ＣＯ２を吸脱着させ回収する方法で、通常２〜４系統の吸着塔を吸着工程と脱着工程に交互に切り替えて、連続的に分離回収する仕組みになっている。圧力差に比べて、温度差に対する吸着能力が大きく変化するので、ＴＳＡ方式単独またはＰＳＡ方式との組み合わせが一般的である。製品ガス中への不純物混入の心配は少ないが、吸着剤のＣＯ２に対する吸着特性が水と競合するため、事前に脱水処理を行う必要がある（例えば、特許文献１を参照）。また、吸着塔における吸脱着熱を与えるための伝熱面積を確保し、操作温度を保持する必要がある。
【０００５】
なお、吸着剤を内蔵した熱交換器としては、例えば特許文献２に挙げられるような、伝熱管を内包する状態で成形された吸着剤を用いたものがある。また、熱交換器としては、例えば特許文献３に挙げられるような、方形のシェルで構成されるものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２２５６１０号公報
【特許文献２】特開平４−１４８１９４号公報
【特許文献３】特開２００６−９０６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
排ガス中の二酸化炭素を溶液吸収法や化学吸着法で回収すると、回収物に不純物が混入しやすい。このため、排ガス中の二酸化炭素を回収して製品とする場合、品質を保つ観点に鑑みれば、物理吸着法による回収が望まれる。ここで、物理吸着法による吸脱着においては、吸着時には発熱し、再生時には吸熱するため、特にＴＳＡ方式による吸脱着の際には吸着剤の温度分布が略均等になるように配慮する必要がある。このため、吸着塔を設計する際は、塔内を流れるガスの流速を一定にするために、水が流れるチューブの長手方向に沿ってガスが流れるように塔内の形状や構造を決定するのが一般的である。しかしながら、要求される仕様によっては、このような形状や構造を採ることが出来ない場合がある。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、塔内のガス流路がチューブの長手方向と交差していても塔内の温度分布がばらつかない吸着塔を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明では、熱交換用のチューブが内部を横断する吸着塔の内部を、上下に設けられた開口を介して流通するガスの流路が上から下まで一定となるように形成することにした。
【００１０】
詳細には、ガスに含まれる特定の成分を吸着する吸着塔であって、前記特定の成分を吸着する吸着剤が内部に充填されるシェルと、前記シェルの内部に設けられ、前記吸着剤と熱交換を行う熱媒が流れる複数のチューブと、前記シェルを上下に貫通するように設けられ、該シェル内に前記ガスを流通させると共に前記吸着剤の充填および回収を可能にする開口部と、を備え、前記複数のチューブは、前記シェルの内部を横断するように配設されており、前記シェルの内部は、前記開口を介して流通する前記ガスが上または下へ流れると共に、該ガスの流路の大きさが上から下まで略一定である。
【００１１】
上記のように構成される吸着塔の内部では、次のようなことが行なわれる。すなわち、吸着中の吸着塔においては、シェルの内部を流れるガスの流路が上から下まで略一定の大きさなので、吸着剤の中を通過するガスの流速が一定となる。このため、吸着剤の発熱が略均一となり、ホットスポットが発生しない。また、加熱したガスを再生用の熱源として吸着塔内に導入する場合も、吸着剤の中を加熱ガスが略均一に流れるのでコールドスポットが発生しない。従って、塔内のガス流路がチューブの長手方向と交差していても、塔内の温度分布を略均一にすることができることとなる。
【００１２】
なお、上記シェルの内部は、ガスの流路の大きさが上から下まで略一定であればよく、外形の如何は問わないが、例えば、シェルを方形の筐体で構成すれば、ガスの流路の大きさを上から下まで略一定とすることができる。また、シェルの内部を複数の部屋に区画しておき、開口部を、シェル内の部屋毎にシェルを上下に貫通するように設け、シェル内の各部屋にガスを流通させると共に吸着剤の部屋毎の充填および回収を可能となるようにしておけば、吸着剤の充填や回収が容易となり、特定の部屋の吸着剤の充填や回収も可能となる。
【００１３】
また、本発明は、ガスに含まれる特定の成分を吸着する吸着塔であって、前記特定の成分を吸着する吸着剤が充填されるシェルと、前記シェルの両端に設けられた管板部分に接
合されて、該シェルの内部に配設される複数のチューブと、前記シェルの前記管板部分に設けられる、前記ガスが流通する開口部と、を備え、前記複数のチューブは、前記シェルの外側で各チューブの端部に連結された管路を介して供給される冷媒が通液されるものであってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
塔内のガス流路がチューブの長手方向と交差していても塔内の温度分布を略均一にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】二酸化炭素分離回収システムの構成図である。
【図２】二酸化炭素分離回収システムにおけるガスの流れを示す図である。
【図３】脱水設備の構成図である。
【図４】ＣＯ２分離回収設備の構成図である。
【図５】精製設備の構成図である。
【図６】吸着塔の外観斜視図である。
【図７】吸着塔の内部構造図である。
【図８】吸着塔内のガスや水の流れを示す図である。
【図９】吸着塔内のガスの流れを示す図である。
【図１０】別態様の吸着塔内のガスの流れを示す図である。
【図１１】別態様の吸着塔の外観斜視図である。
【図１２】別態様の吸着塔の内部構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本願発明に係る吸着塔の実施形態について説明する。図１は、本願発明に係る吸着塔を適用した二酸化炭素分離回収システム１の構成図である。二酸化炭素分離回収システム１は、図１に示すように、昇圧脱水部門２とＣＯ２分離回収部門３、及び昇圧精製部門４を備える。昇圧脱水部門２は、工場等から排出される排ガスを昇圧したのちに脱水する。ＣＯ２分離回収部門３は、昇圧脱水部門２で昇圧されて脱水された原料排ガスに含まれる二酸化炭素を回収する。昇圧精製部門４は、ＣＯ２分離回収部門３に回収されている二酸化炭素を取り出して精製し、製品ＣＯ２ガスとして送り出す。製品ＣＯ２ガスの用途としては、溶接用や食品添加用が挙げられる。
【００１７】
工場等から排出される排ガスの成分は、例えば、窒素（Ｎ２）が８１％、酸素（Ｏ２）が１１％、二酸化炭素（ＣＯ２）が８％、大気圧、温度６３℃、相対湿度１８％の排ガスである。この二酸化炭素分離回収システム１は、この原料排ガスから、純度が９０％以上で露点温度が−１０℃以下の製品ＣＯ２ガスを１０００Ｎｍ３／ｈで生産する。
【００１８】
図２は、二酸化炭素分離回収システム１におけるガスの流れを示す図である。二酸化炭素分離回収システム１では、図２に示すように、工場等の設備から排出されて排ガス冷却器５で約４０℃に冷却された原料排ガスが原料ガスブロワ２１により下流の各プロセスで必要とする圧力である約０．０３ＭＰａまで昇圧された後、脱水設備２０へ送られる。脱水設備２０で水分を除去された原料排ガスは脱湿ガス冷却器６を経てＣＯ２分離回収設備３０へ送られ、原料排ガス中の二酸化炭素が回収される。ＣＯ２分離回収設備３０で二酸化炭素を取り除かれた原料排ガス（以下、使用済み脱ＣＯ２ガスという）は、脱湿ガス冷却器６で熱交換により予熱され、脱水設備２０の再生ガスとして利用された後に系外へ排出され或いは再び工場等の設備へ戻る。この二酸化炭素分離回収システム１では、脱湿ガス冷却器６で概ね84,000kcal/h（351,120kJ/h）の熱が交換されるように設計されている。一方、ＣＯ２分離回収設備３０に回収されている二酸化炭素は、回収ガスブロワ７によって取り出されて精製設備４０へ送り込まれ、精製された後に製品ＣＯ２ガスとして出荷
される。なお、脱湿ガス冷却器６は、熱交換器であり、ＣＯ２分離回収設備３０から出る使用済み脱ＣＯ２ガスと脱水設備２０から出る脱水済の原料排ガスとの間で熱交換を行う。この二酸化炭素分離回収システム１は、低圧、低温プロセスを基調としており、全てのプロセスにおいて０．０５ＭＰａ以下、０〜６５℃、より好ましくは１０〜４０℃である。
【００１９】
図３は、脱水設備２０の構成図である。脱水設備２０は、図３に示すように、水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂ、循環水回路２３、及び弁類で構成される。水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂは、それぞれ、合成ゼオライト、活性アルミナ、セラミックス、多孔質ガラス、多孔質樹脂等の物理吸着剤（モレキュラシーブス）を内包しており、伝熱管を内蔵した並列に接続される図示しない一基あるいは複数基の吸着塔で構成されており、塔内を通過する原料排ガスから水分を連続的に除去する。脱水設備２０は、Ａ系の水吸着塔ユニット２２ＡとＢ系の水吸着塔ユニット２２Ｂとが交互に吸着工程と再生工程とを約３０分毎に繰り返しながら、原料排ガス中の水分を連続的に吸着除去するように制御される。
【００２０】
再生工程は、ＣＯ２分離回収設備３０からの使用済み脱ＣＯ２ガスを再生用ガスとして利用し、主としてガス中の水分分圧に対する吸着能力の差を利用して吸脱着操作を行うドライガスパージ方式により再生する。脱水プロセスが物理吸着法によるため、２次的な脱水処理が不要であり、プロセスに起因する製品ＣＯ２ガス中への不純物の混入の心配もない。
【００２１】
図３では、水吸着塔ユニット２２Ａが吸着工程にあり、水吸着塔ユニット２２Ｂが再生工程にある場合の脱水設備２０を例示している。図３に示すように、吸着工程にある水吸着塔ユニット２２Ａでは、原料ガスブロワ２１から水吸着塔ユニット２２Ａへ繋がる配管の経路を開閉可能な弁Ｖ１Ａ、及び水吸着塔ユニット２２Ａから脱湿ガス冷却器６を介してＣＯ２分離回収設備３０へ繋がる配管の経路を開閉可能な弁Ｖ２Ａが開いていることにより、原料ガスブロワ２１から送られる原料排ガスが通気される。一方、再生工程にある水吸着塔ユニット２２Ｂでは、弁１Ｂ及び弁２Ｂが閉じており、ＣＯ２分離回収設備３０から脱湿ガス冷却器６を介して水吸着塔ユニット２２Ｂへ繋がる配管の経路を開閉可能な弁３Ｂ、及び水吸着塔ユニット２２Ｂから系外または工場等の設備へ繋がる配管の経路を開閉可能な弁４Ｂが開いていることにより、ＣＯ２分離回収部門３から排出される使用済み脱ＣＯ２ガスが通気される。
【００２２】
ここで、水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂの再生に使用する使用済み脱ＣＯ２ガスは、脱水設備２０で脱水処理された後、ＣＯ２分離回収設備３０で二酸化炭素を分離回収されたガスであり、ガス中の水分は、ほぼドライ状態にある。水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂの吸着剤の吸着能力は、その時の温度とガス中の分圧によって決まるので、脱水プロセスにおける脱着再生工程中の吸着塔（図３の例であれば水吸着塔ユニット２２Ｂ）を通過する際、水分を吸着した状態の吸着剤は、その温度に対する吸着特性に従って水分を分離放出し、それに伴いガス中の水分分圧を上昇させ、やがて平衡状態に達する。吸着中の水吸着塔の操作温度と再生中の水吸着塔の操作温度とは、概ね同一温度領域にあるので、脱水プロセスにおける吸脱着操作は、主としてガス中の水分分圧の差によって行われる。
【００２３】
ここで、水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂを構成する各塔の吸着剤は、水分を吸着する際に発熱を伴い、一方、水分を脱着して再生される際には吸熱を伴う。この二酸化炭素分離回収システム１では、各水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂで水を吸脱着する際の吸発熱量が概ね366,085kcal/h（1,532,724kJ/h）となるように設計されている。このため、吸脱着特性を維持するためには、吸着塔を冷却又は加熱して、一定の温度に保持する必要がある。そのため、脱水設備２０には、吸着工程にある水吸着装置と再生工程にある水吸着装置との間を循環する循環水回路２３が備えられており、吸着剤が水を吸着する際に生ずる吸着熱と
吸着剤が水を脱着して再生される際に要する再生熱とが全量交換されて、各系の水吸着装置の吸着塔の温度が約４０℃前後に保持されるように設計されている。吸着中の水吸着塔ユニット２２Ａと再生中の水吸着塔ユニット２２Ｂとの間に配される循環水回路２３は、吸着工程にある水吸着塔ユニット２２Ａの発熱と再生工程にある水吸着塔ユニット２２Ｂの吸熱とを、水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂに内置される伝熱管内を流れる循環水で間接的に熱交換させる。なお、循環水は、循環ポンプ２４によって循環水ライン内を強制的に循環される。これにより、水吸着塔ユニット２２Ａと水吸着塔ユニット２２Ｂとが互いに同一温度領域に保持される。設計上、吸着中の吸着塔と再生中の吸着塔の温度は概ね同一温度であればよく、循環ポンプ２４による入熱により再生中の水吸着塔の温度が少しでも高くなるように考慮する他は、特段の制御を行っていない。すなわち、循環水回路２３は、吸着中の水吸着塔と再生中の水吸着塔とが切り替わっても、循環ポンプ２４を出た循環水が再生中の水吸着塔を通過したのちに循環水クーラ２５を通過し、吸着中の水吸着塔を通過して再び循環ポンプ２４に戻る経路が形成されるように、三方弁５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂが設けられている。各弁の開閉状態を下記の表１に示す。
【表１】
0005571360.tif 000002
【００２４】
表１に示されるパターンに沿って各弁が制御されることにより、水吸着塔ユニット２２Ａが吸着中で水吸着塔ユニット２２Ｂが再生中の時は、循環ポンプ２４を出た循環水が水吸着塔ユニット２２Ｂを通過したのちに循環水クーラ２５を通過し、水吸着塔ユニット２２Ａを通過して再び循環ポンプ２４に戻る経路が形成される。また、水吸着塔ユニット２２Ｂが吸着中で水吸着塔ユニット２２Ａが再生中の時は、循環ポンプ２４を出た循環水が水吸着塔ユニット２２Ａを通過したのちに循環水クーラ２５を通過し、水吸着塔ユニット２２Ｂを通過して再び循環ポンプ２４に戻る経路が形成される。なお、これらの経路の切り替えは、ヒートロスを軽減するため、循環する水温に応じて切り替え時間を適宜調整す
る。これらの制御は、脱水設備２０に設けられた図示しない制御盤のシーケンサによって執り行われる。
【００２５】
ところで、原料ガス中の水分量によっては、再生用ドライガスの量が不足する場合もあり得る。その場合は、他のドライガスを補うか、循環水ラインに加熱器や冷却器を配して、再生中の水吸着塔の温度を高くしてやることで補うこともできる。
【００２６】
脱水設備２０が上記のように動作することにより、吸着中および再生中の各吸着塔の温度領域は、外気温や冷却水温度等の影響を受けつつも、概ね０〜４５℃の範囲となる。このように、再生用ドライガスとしてＣＯ２分離回収設備３０で二酸化炭素が分離回収された使用済み脱ＣＯ２ガスを導入し、更に循環ラインの設置により吸着中の水吸着塔と再生中の水吸着塔との間で熱交換しているので、水蒸気等の外部からの熱源を要しない。
【００２７】
図４は、ＣＯ２分離回収設備３０の構成図である。ＣＯ２分離回収設備３０は、図４に示すように、ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂ、ヒートポンプシステム３２、及び弁類で構成される。ＣＯ２分離回収設備３０は、二酸化炭素の吸脱着に必要な接触時間を十分に確保することが求められる。また、目的の吸着量を確保するための吸着剤充填量を確保することが求められる。更に、吸脱着熱を冷却又は加熱して温度を保持するための伝熱面積を確保することが求められる。
【００２８】
そこで、ＣＯ２分離回収設備３０は、吸着塔を複数に分割したり、適宜並列又は直列に接続したりして使用する。本実施形態に係る二酸化炭素分離回収システム１のＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂは、水吸着塔ユニット２２Ａ，Ｂと同様、合成ゼオライト、活性アルミナ、セラミックス、多孔質ガラス、多孔質樹脂等の物理吸着剤（モレキュラシーブス）を内包しており、伝熱管を内蔵した吸着塔で構成され、塔内を通過する脱水された原料排ガスから二酸化炭素を連続的に除去する。ＣＯ２分離回収設備３０は、Ａ系のＣＯ２吸着塔ユニット３１ＡとＢ系のＣＯ２吸着塔ユニット３１Ｂとが交互に吸着工程と脱着工程（再生工程ということもできる）とを約３０分毎に繰り返しながら、原料排ガス中の二酸化炭素を連続的に分離回収するように設計されている。
【００２９】
ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂは、主として吸着剤の温度に対する吸着能力の差を利用して吸脱着操作を行うＴＳＡ（Thermal Swing Adsorption）方式により、二酸化炭素の吸着及び脱着を行なう。ＣＯ２分離回収プロセスは物理吸着方式であるため、プロセスに起因する製品ＣＯ２ガス中への不純物の混入の心配もない。
【００３０】
図４では、ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａが吸着工程にあり、ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ｂが脱着工程にある場合のＣＯ２分離回収設備３０を例示している。図４に示すように、吸着工程にあるＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａでは、昇圧脱水部門２から脱湿ガス冷却器６を介してＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａへ繋がる配管の経路を開閉可能な弁１１Ａ、及びＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａから脱湿ガス冷却器６を介して水吸着塔ユニット２２Ｂへ繋がる配管の経路を開閉可能な弁７Ａが開いていることにより、昇圧脱水部門２から送られる脱水された原料排ガスが通気される。一方、脱着工程にあるＣＯ２吸着塔ユニット３１Ｂでは、弁１１Ｂ及び弁７Ｂが閉じており、昇圧精製部門４へ繋がる配管の経路を開閉可能な弁８Ｂが開いていることにより、ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ｂに吸着されていた二酸化炭素が脱着されて昇圧精製部門４へ流れる。
【００３１】
ここで、ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂに使われている吸着剤は、二酸化炭素を吸着する際に発熱を伴い、一方、二酸化炭素を脱着して再生される際には吸熱を伴う。この二酸化炭素分離回収システム１では、各ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂで二酸化炭素を吸脱着する際の吸発熱量が概ね354,644kcal/h（1,486,591kJ/h）となるように設計されてい
る。このため、吸脱着特性を維持するためには、吸着塔を冷却又は加熱して、一定の温度に保持する必要がある。特に、ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂは、ＴＳＡ（Thermal Swing Adsorption）方式を採用しているため、吸着工程における温度は０〜４０℃、脱着工程における温度は２０〜６５℃となり、概ね吸着工程で約１５℃、再生工程で約４０℃となるように制御される。吸着剤が約４０℃に加熱されることで、吸着されていた二酸化炭素が分離する。この動作温度から明らかなように、ＣＯ２分離回収プロセスでは脱水プロセスと異なり、発熱を伴う吸着工程におけるＣＯ２吸着塔の温度と吸熱を伴う脱着工程におけるＣＯ２吸着塔の温度とが大きく開いている。そこで、ＣＯ２分離回収設備３０は、二酸化炭素を吸脱着する際の熱源を自給するためにヒートポンプシステム３２を備えており、冷凍機３６、凝縮器３４、膨張弁３７、蒸発器３５などで構成されるヒートポンプユニット３３を配することで、吸着中のＣＯ２吸着塔の熱を脱着中のＣＯ２吸着塔へ効率的に送ることが可能なようになっている。このヒートポンプユニット３３の冷媒はフロン系のＲ−１３４ａである。これにより、発熱を伴う吸着中のＣＯ２吸着塔が冷却され、吸熱を伴う脱着中のＣＯ２吸着塔が加熱されて、各々の動作温度が保たれる。
【００３２】
より詳細には、例えば図４に示すように、吸着中のＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａとヒートポンプユニット３３の蒸発器３５との間で循環ポンプ３８により冷水が循環する循環経路を、弁９Ａ，１０Ａや配管類により構成する。また、脱着中のＣＯ２吸着塔ユニット３１Ｂとヒートポンプユニット３３の凝縮器３４との間で循環ポンプ３９により温水が循環する循環経路を弁９Ｂ，１０Ｂにより構成する。吸着中のＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａで生じた熱により蒸発した蒸発器３５内の冷媒は、冷凍機３６によって昇圧され、凝縮器３４へ送られる。凝縮器３４では、冷凍機３６から送られた冷媒の熱が脱着中のＣＯ２吸着塔ユニット３１Ｂによって奪われ、凝縮器３４内で冷媒が凝縮する。凝縮器３４で凝縮した冷媒は膨張弁３７を通って減圧され、過冷却状態になって再び蒸発器３５へ送られる。ヒートポンプユニット３３においてこのような冷凍サイクルが実現されることにより、吸着中のＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａと脱着中のＣＯ２吸着塔ユニット３１Ｂとの間の熱輸送が実現され、ＣＯ２吸着塔間の熱交換による熱源の自給が可能となる。
【００３３】
なお、吸着中のＣＯ２吸着塔ユニットと脱着中のＣＯ２吸着ユニットとの間の熱交換は、循環水を介することなく、例えば、ヒートポンプユニット３３内を循環する冷媒を各吸着塔に直接導入するようにしてもよい。この場合、ヒートポンプユニット３３に設けられている凝縮器３４や蒸発器３５が不要となる。また、ヒートポンプユニット３３のような圧縮式の冷凍サイクルではなく、吸収式のものであってもよい。更に、吸着中の吸着塔と再生中の吸着塔との切り替えや冷凍機３６の発停等による循環水の温度の変動を抑制するため、循環ポンプ３８,３９や弁類で構成される冷水や温水の循環経路に中間タンクを設け、この中間タンクに循環水の温度の変動を吸収させるようにしてもよい。
【００３４】
ＣＯ２分離回収設備３０は、脱水設備２０と同様、冷水や温水の循環ラインがＣＯ２吸着塔の通気状態に応じて切り替えられる。各弁の開閉状態を下記の表２に示す。
【表２】
0005571360.tif 000003
【００３５】
表２に示されるパターンに沿って各弁が制御されることにより、ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａが吸着中でＣＯ２吸着塔ユニット３１Ｂが脱着中の時は、ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａと蒸発器３５との間で冷水が循環し、ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ｂと凝縮器３４との間で温水が循環して、ＣＯ２吸着塔ユニット３１ＡからＣＯ２吸着塔ユニット３１Ｂへの熱輸送が実現される。また、ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ｂが吸着中でＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａが吸着中の時は、ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ｂと蒸発器３５との間で冷水が循環し、ＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａと凝縮器３４との間で温水が循環して、ＣＯ２吸着塔ユニット３１ＢからＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａへの熱輸送が実現される。なお、これらの経路の切り替えは、ヒートロスを軽減するため、循環する水温に応じて切り替え時間を適宜調整する。これらの制御は、ＣＯ２分離回収設備３０に設けられた図示しない制御盤のシーケンサによって執り行われる。
【００３６】
図５は、精製設備４０の構成図である。精製設備４０は、図５に示すように、精製塔４１、製品ガス冷却器４２、及び弁や配管類で構成される。精製塔４１は、脱着工程にあるＣＯ２吸着塔ユニットから出るガス中に含まれる硫化水素を、塔内に充填された触媒又は吸着剤により吸着除去する。精製塔４１で硫化水素が除去されたガスは製品ガス冷却器４２で冷却されたのち、純度が９０％以上で露点温度が−１０℃以下の製品ＣＯ２ガスとして送り出される。
【００３７】
なお、上記二酸化炭素分離回収システム１は、精製設備４０の下流側に液化炭酸ガスを製造する設備等を設ければ、更に高純度の製品を提供することも可能である。
【００３８】
溶接や食品添加を用途とする製品ＣＯ２ガスを出荷する場合、製品ＣＯ２ガス中に許容される不純物量は、不純物質の毒性等種類にもよるが、少なくとも概ね０．５ｐｐｍ以下
であるため、溶液吸収法や化学吸着法におけるカリやアミン等の吸収剤又は吸着剤成分の混入を許容値に制御することは、経済的要素を勘案すると困難である。一方、上記二酸化炭素分離回収システム１であれば、化学的分離法を使用せず、物理的な分離法を使用しているため、製品ＣＯ２ガス中の不純物を抑制し、食品添加用その他に対しても広く適用可能な品質を確保できる。
【００３９】
また、製品ＣＯ２ガス中の水分も不純物として０．００３ｖｏｌ％程度以下の濃度が求められる。また、このような水分の存在は、炭酸腐食により、他の不純物混入の大きな要因となり得る。ここで、溶液吸収法は湿式であるため、ガス中には飽和水分が含まれる。このため、結露により、容器や配管内に炭酸腐食を発生し、これに起因する不純物混入が懸念される。化学吸着法においても再生用に直接蒸気を導入する場合など、同様の問題が懸念される。しかし、上記二酸化炭素分離回収システム１では、脱水設備２０で排ガス中の水分を事前に物理吸着させ、過冷却領域まで除去することにより、後段のＣＯ２分離回収設備におけるＣＯ２吸着特性の安定を図ることと合わせて、水分混入に起因する腐食発生や不純物混入を予防している。
【００４０】
また、排ガスから二酸化炭素を回収する際のコストを上昇させる主たる要因は、建設コストと電力や蒸気などのユーティリティー消費量である。上記二酸化炭素分離回収システム１では、低温プロセスや前処理としての脱水処理を吸着法で実現しているため、ステンレス材や高級炭素鋼材の一切を要しない。また、低圧プロセスを採用しているので、回転機等の電力量を抑制できる。さらに、再生用に蒸気等を使用せず、吸着工程と脱着工程における等量の吸着熱と脱着熱を間接的に熱交換させることにより自己生産できるので、ヒートロスに関するものを除き、外部からの入熱を要しない。これらにより、建設コストを抑え、ユーティリティー使用量を抑制することにより、製品ガス量当たりの生産コストを大幅に低減できる。
【００４１】
排ガス中のＣＯ２を効率的に回収し、食品添加用などの需要と組み合わせることができれば、ＣＯ２排出量を削減し地球環境問題に直接的に資することが可能である。また、例えば将来的にＨ２源とのカップリング技術の進展によっては燃料化も期待され、ＣＯ２削減と再生可能エネルギーの生産が同時に可能となり、貴重なカーボン源として上記二酸化炭素分離回収システム１の付加価値は飛躍的に高まることが期待される。
【００４２】
なお、上記二酸化炭素分離回収システム１においては、ＣＯ２分離回収設備３０に回収されている二酸化炭素を回収ガスブロワ７によって取り出し、精製設備４０へ送り込んでいるが、吸着剤に吸着されている二酸化炭素が離脱しにくい場合には、回収ガスブロワ７に真空引きさせてもよいし或いは回収ガスブロワ７の排気の一部をＣＯ２分離回収設備３０の吸着塔の上流側に戻して回収ガスを循環させてもよい。
【００４３】
ここで、上述した二酸化炭素分離回収システム１の水吸着塔ユニット２２Ａ，ＢやＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂは、以下のような吸着塔で構成されている。図６は、上述した水吸着塔ユニット２２Ａ，ＢやＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂを構成する、本願発明の実施形態に係る吸着塔５０の外観斜視図である。吸着塔５０は、図６に示すように、シェル部５１とチャンネル部５２，５３で構成されている。チャンネル部５２には吸着剤と熱交換を行う熱媒としての水を流すための配管を接続するフランジが設けられ、また、シェル部５１にも原料排ガスを流すための配管を接続するフランジが設けられている。
【００４４】
図７は、吸着塔５０の内部構造図である。吸着塔５０は、図７に示すように、胴側の流路である反応室５４内をガスが流れ、管側の流路であるフィンチューブ５６内や水室５５内を水が流れる、いわゆるシェル＆チューブ型の熱交換器であり、各反応室５４や水室５５は方形に形成されている。
【００４５】
各反応室５４には既述の合成ゼオライトや活性アルミナ、セラミックス、多孔質ガラス、多孔質樹脂等の物理吸着剤（モレキュラシーブス）が充填されることで、ここを通過する原料排ガス中の水あるいはＣＯ２が吸着されるようになる。物理吸着剤の充填や回収はシェル部５１の上側部分や下側部分に設けられたフランジから行なう。各反応室５４は、フィンチューブ５６を支持する支持板５７によって仕切られているが、この支持板５７は単にフィンチューブ５６を支持する構造物であり、各反応室５４同士を隔離する程の気密性は無い。
【００４６】
水室５５は、管板５８によって反応室５４と隔離されたチャンネル部５２，５３内に設けられる空間であり、水を各チューブへ分流したり各チューブを流れる水が合流したりする。
【００４７】
図８は、吸着塔５０内のガスや水の流れを示す図である。各反応室５４に流入したガスは物理吸着剤５９と接触して水あるいはＣＯ２が除去された後に下側から流出する。また、水室５５へ流入した水は、各フィンチューブ５６へ流れる。
【００４８】
ここで、この吸着塔５０は方形になっているのでガスの吸着塔５０内におけるガス流路の大きさは上から下まで略一定であり、各反応室５４内のガスの流れは図９に示すようになる。すなわち、各反応室５４内の流路方向に対する断面積が上部から下部まで略一定なので、ガスの流速は反応室に流入してから流出するまで概ね一定となり、流速が局部的に変化することが無い。このため、例えば図１０に示すように、通常多く用いられる円筒状の熱交換器を吸着塔とした場合に比べると、ホットスポットやコールドスポットが生じにくくなり、水やＣＯ２の吸脱着作用が部位毎にばらつくのを抑制できる。吸着剤を用いてガス中の特定成分を吸着する場合は、ガスの流速を一定値以下に制限することが求められるため、ガスの流速が部位毎にばらつくとこの制限を満たせない部分が生じやすいが、本実施形態のように方形の吸着塔とすればこのような流速のばらつきを抑えることができる。また、吸着能力を高めるには吸着塔の容積や伝熱面積を如何に多く確保するかが問題となるが、円筒状の熱交換器を用いると円筒という形状上、無駄な設置スペースが不可避的に生ずるのに対し、方形であれば設置スペースを最大限有効活用できる。
【００４９】
このように、熱交換器と吸着塔とが一体化したことにより、吸着塔内を直接冷却あるいは加熱することができるので、再生の際の熱源を比較的低い温度領域にすることができる。また、熱交換器内に吸着剤を充填する構造を採用しているので吸着剤と伝熱管との間で熱交換がしやすく、ガス側の伝熱係数を上げることができる。よって、熱交換器を吸着塔の上流側に別途設ける場合に比べて伝熱面積を低減することが可能である。
【００５０】
なお、ＰＳＡ方式を採る場合、吸着塔には圧力容器としての高い耐圧性能が要求されるため、本実施形態のような方形の形状を採用することが難しくなる。しかしながら、上記二酸化炭素分離回収システム１のようにＴＳＡ方式を採る場合、吸着塔に求められる耐圧性能はＰＳＡ方式に比べて緩いため、本実施形態のような方形の形状を容易に採用する事ができる。もっとも、本実施形態に係る吸着塔５０の製作にあたって高強度の板金を用い、ＰＳＡ方式にも耐えるものとしてもよい。
【００５１】
上記のように構成される吸着塔５０で水吸着塔ユニット２２Ａ，ＢやＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂを構成すれば、例えば、次のようなことができる。すなわち、水吸着塔ユニット２２Ａ，ＢやＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂを方形の吸着塔５０で構成すれば、吸着工程にある吸着塔と再生工程にある吸着塔とを面接触させることができ、吸着作用で生ずる熱を再生のために有効利用することができる。
【００５２】
また、上記実施形態に係る吸着塔５０であれば、原料排ガスや吸着剤を出し入れする開口と管板５８とが別々の箇所に設けられているので、チューブ５６の配置に制約がなく、容積当たりの伝熱面積を大きく取ることができる。更に、吸着塔５０の外形が方形なので断熱材の取り付けも容易であり、保温性能を高めやすい。
【００５３】
なお、上記実施形態に係る吸着塔５０は、支持板５７によって４つの反応室５４に仕切られていたが、シェル部５１の長さが短い場合には不要である。その場合、シェル部５１に設けられる、原料排ガスを流すための配管を接続するフランジの数も減る。
【００５４】
また、上記実施形態に係る吸着塔５０は、原料排ガスを上から下へ向けて流し、水を下から上へ流すことで温度勾配が概ね一定となるように配慮していたが、例えば、原料排ガスを下から上へ向けて流し、水を上から下へ流すようにしてもよいし、場合によっては排ガスと水を並行流としてもよい。
【００５５】
ところで、上記二酸化炭素分離回収システム１の水吸着塔ユニット２２Ａ，ＢやＣＯ２吸着塔ユニット３１Ａ，Ｂは、小規模なシステム構成とする場合、以下に示すような吸着塔で構成することも可能である。図１１は、上記二酸化炭素分離回収システム１を小規模なシステム構成とする場合に用いることが可能な吸着塔１００の外観斜視図である。吸着塔１００は、図１１に示すように、上下方向に伸びる円筒状のシェル部１０１を備えており、その上下端面にはフランジ１１０やジョイント１１１が設けられている。
【００５６】
図１２は、吸着塔１００の内部構造図である。吸着塔１００は、図１２に示すように、胴側の流路となる反応室１０４をガスが流れ、管側の流路となるフィンチューブ１０６内を水が流れる、いわゆるシェル＆チューブ型の熱交換器と同様の構造を有しているが、この吸着塔１００には既述した吸着塔５０に用いられるようなチャンネル部５２に相当する部分が存在しない。この吸着塔１００は、ジョイント１１１同士をフレキシブルチューブ等で相互に連結することで各フィンチューブ１０６に水が流れるようにし、チャンネル部５２を省略している。
【００５７】
反応室５４には既述の合成ゼオライトや活性アルミナ、セラミックス、多孔質ガラス、多孔質樹脂等の物理吸着剤（モレキュラシーブス）が充填されることで、ここを通過するガス中の水やＣＯ２が吸着されるようになっており、物理吸着剤の充填や回収はシェル部１０１の上側部分や下側部分に設けられたフランジ１１０から行なう。
【００５８】
このように構成される吸着塔１００であれば、チャンネル部が設けられていないので水の保有量が少なくなり、吸着塔の工程を熱的にスムーズに切り替えることができる。なお、図１１，１２は吸着塔を縦に設置することを念頭においた場合を示したものであるが、吸着塔を横置きとし、排ガスを流す開口とは別に吸着剤充填口と取出口をシェルの上部と下部にそれぞれ配して、チューブ配置を密集させてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
５０，１００・・吸着塔
５１，１０１・・シェル部
５２，５３・・チャンネル部
５４，１０４・・反応室
５５・・水室
５６，１０６・・フィンチューブ
５７・・支持板
５８・・管板
５９・・物理吸着剤
１１０・・フランジ
１１１・・ジョイント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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