(57)【要約】【課題】固体吸着材を用いてＣＯ２を回収し、効率的な熱回収と使用する熱の量の低減とが可能なＣＯ２固体吸着材システムを提供する。【解決手段】化石燃料を燃焼して蒸気と排ガスとを得るボイラ１と、蒸気で駆動される蒸気タービン１１〜１３と、蒸気タービン１１〜１３を駆動した蒸気を凝縮させる復水器１５と、復水器１５で凝縮した水を蒸気タービン１１〜１３の蒸気で加熱する給水加熱器１６〜１９および脱気器２０と、ＣＯ２を吸着する固体吸着材２１を有し、排ガスが供給されると固体吸着材２１で排ガス中のＣＯ２を吸着する充填塔２２とを備える。充填塔２２には、復水器１５で凝縮した水が伝熱媒体として供給される。伝熱媒体としての水は、固体吸着材２１に非接触で伝熱して、ＣＯ２を吸着した固体吸着材２１を冷却し、充填塔２２から排出されて給水加熱器１６〜１９または脱気器２０に供給される。【選択図】図１
2014094331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化石燃料を燃焼して蒸気と排ガスとを得るボイラと、
前記蒸気で駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンを駆動した前記蒸気を凝縮させる復水器と、
前記復水器で凝縮した水を前記蒸気タービンの蒸気で加熱する給水加熱器および脱気器と、
ＣＯ２を吸着する固体吸着材を有し、前記排ガスが供給されると前記固体吸着材で前記排ガス中のＣＯ２を吸着する充填塔と、を備え、
前記充填塔には、前記復水器で凝縮した水が伝熱媒体として供給され、
伝熱媒体としての前記水は、前記固体吸着材に非接触で伝熱して、ＣＯ２を吸着した前記固体吸着材を冷却し、前記充填塔から排出されて前記給水加熱器または前記脱気器に供給される、
ことを特徴とするＣＯ２固体吸着材システム。
【請求項２】
ＣＯ２を圧縮する圧縮機をさらに備え、
前記充填塔には、前記蒸気タービンの蒸気が伝熱媒体として供給され、
伝熱媒体としての前記蒸気は、前記固体吸着材に非接触で伝熱して、ＣＯ２を吸着した前記固体吸着材を加熱して前記固体吸着材からＣＯ２を脱離させ、前記充填塔から排出されて前記給水加熱器または前記脱気器に供給され、
前記圧縮機は、前記固体吸着材から脱離したＣＯ２を圧縮して回収する請求項１記載のＣＯ２固体吸着材システム。
【請求項３】
前記充填塔は、伝熱媒体としての前記水の導入口と伝熱媒体としての前記蒸気の導入口とが同一であり、伝熱媒体としての前記水の排出口と伝熱媒体としての前記蒸気の排出口とが同一である請求項２記載のＣＯ２固体吸着材システム。
【請求項４】
前記充填塔には、前記復水器と前記充填塔とを接続する配管によって、伝熱媒体としての前記水が供給され、且つ、前記蒸気タービンと前記充填塔とを接続する配管によって、伝熱媒体としての前記蒸気が供給され、
これら２つの配管は、前記充填塔の手前で合流し、
前記蒸気タービンと前記充填塔とを接続する前記配管は、前記蒸気の流量を調節する弁を備える請求項２記載のＣＯ２固体吸着材システム。
【請求項５】
前記給水加熱器には、前記復水器で凝縮した水が供給され、
前記復水器には、２つに分岐する分岐点を有して、一方の分岐で前記充填塔に前記水を供給し、他方の分岐で前記給水加熱器に前記水を供給する配管が接続され、
前記配管は、前記分岐点と前記充填塔の間と前記分岐点と前記給水加熱器の間とに、前記水の流量を調節する弁をそれぞれ備える請求項２記載のＣＯ２固体吸着材システム。
【請求項６】
前記充填塔と前記給水加熱器との間または前記充填塔と前記脱気器との間に、前記充填塔から排出された前記蒸気を凝縮させる気液分離器をさらに備え、
前記充填塔には、前記蒸気タービンと前記充填塔とを接続する配管によって、伝熱媒体としての前記蒸気が供給され、
前記蒸気タービンと前記充填塔とを接続する前記配管は、前記蒸気の流量を調節する弁を備え、
前記気液分離器と前記給水加熱器とを接続する配管または前記気液分離器と前記脱気器とを接続する配管は、前記気液分離器の気相の圧力を調節する弁を備える請求項２記載のＣＯ２固体吸着材システム。
【請求項７】
前記充填塔と前記気液分離器とを接続する配管は、２つに分岐する分岐点を有し、一方の分岐は前記気液分離器に接続し、前記分岐点と前記気液分離器との間に前記蒸気の流量を調節する弁を備え、他方の分岐は前記給水加熱器に接続し、前記分岐点と前記給水加熱器との間に前記水の流量を調節する弁を備える請求項６記載のＣＯ２固体吸着材システム。
【請求項８】
前記充填塔には、２つに分岐する分岐点を有して、一方の分岐で前記充填塔から排出された前記排ガスを煙突に供給し、他方の分岐で前記固体吸着材から脱離したＣＯ２を前記圧縮機に供給する配管が接続され、
前記配管は、前記分岐点と前記煙突の間と前記分岐点と前記圧縮機の間とに、前記煙突からの前記排ガスの放出を制御する弁をそれぞれ備える請求項２記載のＣＯ２固体吸着材システム。
【請求項９】
前記復水器と前記充填塔を接続する前記配管と、前記蒸気タービンと前記充填塔を接続する前記配管とが合流する合流点に温度計を備え、
前記温度計が計測した温度を取り込み、前記合流点の温度が予め定めた速度以下で上昇するように、前記蒸気タービンと前記充填塔とを接続する前記配管が備える前記弁の開度を調節し、前記充填塔に供給する前記蒸気の流量を制御する制御装置をさらに備える請求項４記載のＣＯ２固体吸着材システム。
【請求項１０】
前記充填塔には、前記復水器と前記充填塔とを接続する配管によって、伝熱媒体としての前記水が供給され、且つ、前記蒸気タービンと前記充填塔とを接続する配管によって、伝熱媒体としての前記蒸気が供給され、
これら２つの配管は、前記充填塔の手前で合流し、
これら２つの配管の合流点に温度計を備え、
前記温度計が計測した温度を取り込み、前記合流点の温度が予め定めた速度以下で低下するように、前記復水器から前記充填塔に前記水を供給する前記配管において前記分岐点と前記充填塔との間に設けられた前記弁の開度を調節し、前記充填塔に供給する前記水の流量を制御する制御装置をさらに備える請求項５記載のＣＯ２固体吸着材システム。
【請求項１１】
前記分岐点に温度計を備え、
前記温度計が計測した温度を取り込み、前記分岐点の温度に応じて、前記分岐点と前記気液分離器との間の前記弁の開閉を切替えるとともに、前記分岐点と前記給水加熱器との間の前記弁の開閉を切替える制御装置をさらに備える請求項７記載のＣＯ２固体吸着材システム。
【請求項１２】
前記気液分離器の気相に、または前記充填塔から排出された前記蒸気を前記気液分離器に供給する配管に圧力計を備え、
前記給水加熱器または前記脱気器に温度計を備え、
前記圧力計が計測した圧力と、前記温度計が計測した前記給水加熱器または前記脱気器の水温とを読み込み、前記給水加熱器または前記脱気器の水温に応じて、前記気液分離器と前記給水加熱器とを接続する配管または前記気液分離器と前記脱気器とを接続する配管が備える弁の開度を変えて前記気液分離器の気相の圧力を制御する制御装置をさらに備える請求項６記載のＣＯ２固体吸着材システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体吸着材を用いて排ガスに含まれるＣＯ２を回収するＣＯ２固体吸着材システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の対応策として、排出されるＣＯ２を回収する技術が求められている。石炭、石油およびＬＮＧなどの化石燃料を燃焼し水蒸気を発生させる燃焼装置（以下、「ボイラ」と称する）の排ガス中には、数％から十数％のＣＯ２が含まれている。このため、ボイラの排ガス中に含まれるＣＯ２を回収する必要性が高まっている。
【０００３】
排ガス中に含まれるＣＯ２を回収する技術の一つとして、アミンと水を混合したアミン水溶液をＣＯ２吸収材として用いるＣＯ２化学吸収システムがある。このＣＯ２化学吸収システムは、排ガス中のＣＯ２をアミン水溶液で吸収する吸収塔と、吸収したＣＯ２をアミン水溶液から放出させる再生塔から構成される。
【０００４】
吸収塔では、排ガスとアミン水溶液の気液接触よってアミン含有のミストが生じ、このミストは排ガスに同伴して飛散する。また、ＣＯ２を吸収するときの反応熱によって、アミン水溶液の温度が上昇し、アミンは蒸発する。このように、吸収塔からの排ガスにはアミンが含まれるので、アミンは大気に放出される。アミンの大気への放出は、大気汚染を誘発する可能性がある。
【０００５】
アミンを使用せず、固体のＣＯ２吸着材（固体吸着材）を用いるのがＣＯ２固体吸着材システムである。このシステムは、アミンを大気へ放出しない。しかし、ＣＯ２を回収するための吸着材が固体であるため、ＣＯ２を吸着させる吸着塔からＣＯ２を脱離させる再生塔への吸着材の輸送、およびこの逆の再生塔から吸着塔への吸着材の輸送は容易ではない。したがって、固体吸着材は、充填塔に固定して収納される。特許文献１には、ＣＯ２固体吸着材システムの例が開示されている。
【０００６】
特許文献１に開示されているように、従来のＣＯ２固体吸着材システムでは、充填塔に接続されている配管に弁を設け、弁の開閉を切替えることで、固体吸着材へのＣＯ２の吸着と、固体吸着材からのＣＯ２の脱離（固体吸着材の再生）を行う。充填塔を２塔構成にすると、一方でＣＯ２の吸着を行うと同時にもう一方でＣＯ２の脱離を行って、連続的にＣＯ２の吸着と固体吸着材の再生を実行できる。
【０００７】
ＣＯ２化学吸収システムおよびＣＯ２固体吸着材システムでは、吸着材からＣＯ２を脱離させて吸着材を再生するのに、熱（再生熱）を使う。省エネルギーの観点から、システムで使用する熱の量を減少させることが望まれる。このために、システム内で発生した熱を回収して、再生熱などに再利用する必要がある。
【０００８】
また、ＣＯ２固体吸着材システムでは、充填塔内にガスを通気する際、粉体が飛散しないように空塔速度を遅くする。これにより、充填塔内でのＣＯ２の吸収反応は、時間経過に伴い、排ガスの入口から出口に向かって進行する。ＣＯ２の吸収反応に伴い、固体吸着材の温度および排ガスの温度も上昇する。吸着平衡に達すると、充填塔内は、流入する排ガスによって冷却され、温度が低下する。したがって、充填塔内の温度分布は、時間とともに変化し、高温部が排ガスの進行方向に沿って移動する非定常な分布になる。特許文献１に開示されているような従来のＣＯ２固体吸着材システムでは、反応熱を回収する装置を備えているが、充填塔内の温度分布が定常であることを想定した仕様の装置を用いており、効率的な熱回収は難しい。
【０００９】
また、ＣＯ２化学吸収システムや従来のＣＯ２固体吸着材システムは、ＣＯ２の吸着と吸着材の再生を連続的に実行するという連続運転を前提とするシステムである。これらのシステムでは、ボイラの排ガスからＣＯ２を回収し、吸着材を再生するための加熱源として高温蒸気を用いると、ボイラの負荷（出力）に変動がある場合には、ＣＯ２の回収と吸着材の再生の量も変動する。このため、システム全体で考えると、使用する熱の量の低減や効率的な熱回収の面では、連続運転が必ずしも有効にはならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−１６１２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上説明したように、ＣＯ２化学吸収システムやＣＯ２固体吸着材システムでは、使用する熱の量の低減や効率的な熱回収が求められている。
【００１２】
本発明は、固体吸着材を用いてＣＯ２を回収し、効率的な熱回収と使用する熱の量の低減とが可能なＣＯ２固体吸着材システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によるＣＯ２固体吸着材システムは、次のような特徴を有する。化石燃料を燃焼して蒸気と排ガスとを得るボイラと、前記蒸気で駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンを駆動した前記蒸気を凝縮させる復水器と、前記復水器で凝縮した水を前記蒸気タービンの蒸気で加熱する給水加熱器および脱気器と、ＣＯ２を吸着する固体吸着材を有し、前記排ガスが供給されると前記固体吸着材で前記排ガス中のＣＯ２を吸着する充填塔とを備える。前記充填塔には、前記復水器で凝縮した水が伝熱媒体として供給される。伝熱媒体としての前記水は、前記固体吸着材に非接触で伝熱して、ＣＯ２を吸着した前記固体吸着材を冷却し、前記充填塔から排出されて前記給水加熱器または前記脱気器に供給される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、固体吸着材を用いてＣＯ２を回収し、効率的な熱回収と使用する熱の量の低減とが可能なＣＯ２固体吸着材システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１による、ＣＯ２を回収するときのＣＯ２固体吸着材システムの概略を示す構成図。
【図２】本発明の実施例２による、固体吸着材を再生するときのＣＯ２固体吸着材システムの概略を示す構成図。
【図３】本発明の実施例３による、ＣＯ２の回収と固体吸着材の再生を行うときのＣＯ２固体吸着材システムの概略を示す構成図。
【図４Ａ】本発明の実施例による充填塔の上面を示す模式図。
【図４Ｂ】本発明の実施例による充填塔の側面を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明によるＣＯ２固体吸着材システムは、固体のＣＯ２吸着材（以下、「ＣＯ２固体吸着材」または「固体吸着材」と称する）を収納した充填塔を備え、固体吸着材を用いてボイラの排ガス中のＣＯ２を回収する。充填塔に収納された固体吸着材は、ＣＯ２を吸着するときには冷却され、ＣＯ２を脱離するときには加熱される。充填塔では、伝熱媒体は、固体吸着材に直接接触しないように流れて、固体吸着材を冷却・加熱する。本システムでは、固体吸着材の冷却と加熱を、弁の開閉によって切替えることができる。
【００１７】
固体吸着材がＣＯ２を吸着するときは、復水器で凝縮させた水を冷却水として充填塔に供給し、固体吸着材を冷却する。固体吸着材で加熱された水は、給水加熱器に供給する。固体吸着材を再生するとき（固体吸着材からＣＯ２を脱離させるとき）は、タービンからの蒸気を充填塔に供給して固体吸着材を加熱する。固体吸着材を加熱した蒸気は、液化して給水加熱器または脱気器に供給する。充填塔から給水加熱器または脱気器への配管の途中に圧力計を設けると、液化した蒸気の温度が給水加熱器または脱気器の水温と等しくなるように、蒸気の圧力を調整することができる。
【００１８】
本システムの運転を、固体吸着材のＣＯ２の吸着から固体吸着材の再生へ切替えると、充填塔に流れる伝熱媒体が冷却水から蒸気に変わる。このとき、配管の温度が急激に変化しないように、流量調節弁によって蒸気の流量を緩慢に増やせることができる。一方、本システムの運転を、固体吸着材の再生から固体吸着材のＣＯ２の吸着へ切替えると、配管に流れる伝熱媒体が蒸気から冷却水に変わる。このとき、配管の温度が急激に変化しないように、流量調節弁によって冷却水の流量を緩慢に増やせることができる。
【００１９】
本システムにおいて、ボイラの負荷（出力）の変動が小さくなるように、吸着と再生とを切替えるのが好ましい。例えば、吸着から再生への切替えと再生から吸着への切替えをそれぞれ１日１回とし、ボイラの負荷が大きい昼間は固体吸着材にＣＯ２を吸着させ、ボイラの負荷が小さい夜間は固体吸着材を再生するのが好ましい。
【００２０】
本発明によるＣＯ２固体吸着材システムでは、固体吸着材がＣＯ２を吸着するときには、吸着で生じる反応熱を給水加熱器に与え、タービンの出力を向上させることができる。固体吸着材を再生するときには、熱交換した蒸気を液化し、一定温度の水を給水加熱器または脱気器に導入することで、タービンの負荷の変動を抑止することができる。
【００２１】
吸着と再生とを切替えたときに、配管の温度の急変を回避することで、配管の損傷を低減できる。また、昼間に固体吸着材にＣＯ２を吸着させ、その反応熱をタービンの出力に活用することにより、昼間にタービン出力を上げることができる。夜間に固体吸着材を再生することにより、夜間のボイラの負荷の減少を緩和でき、ボイラの負荷の変化を減少させることができるので、ボイラの耐用年数を延ばすことができる。
【００２２】
以下、本発明によるＣＯ２固体吸着材システムの実施例を、微粉炭焚きボイラで発生した排ガス中のＣＯ２を回収する場合について説明する。本発明によるＣＯ２固体吸着材システムは、微粉炭焚きボイラを用いるシステムに限らず、化石燃料を燃焼して発電するシステムに適用することができる。
【実施例１】
【００２３】
図１を用いて、本発明によるＣＯ２固体吸着材システムの実施例１について説明する。実施例１では、ＣＯ２を回収するとき、すなわち固体吸着材がＣＯ２を吸着するときのＣＯ２固体吸着材システムについて説明する。
【００２４】
図１は、ＣＯ２固体吸着材システムの概略を示す構成図であり、固体吸着材がＣＯ２を吸着するときのシステムを示している。ＣＯ２固体吸着材システムは、発電システムと充填塔２２を備える。発電システムは、ボイラ１、蒸気タービン、発電機１４、復水器１５、低圧給水加熱器１６〜１９、および脱気器２０を備える。蒸気タービンは、高圧タービン１１、中圧タービン１２および低圧タービン１３からなる。
【００２５】
充填塔２２には、固体吸着材２１が収納されている。固体吸着材２１は、例えば円筒容器に充填されて、充填塔２２に収納される。図１では、一例として、４本以上の円筒容器を有する充填塔２２を示している。
【００２６】
ボイラ１で微粉炭を燃焼して得られた排ガスには、ＣＯ２、窒素酸化物、硫黄酸化物および煤塵が含まれる。ボイラ１の排ガスは、脱硝装置（図示せず）で窒素酸化物が除去され、電気集塵器（図示せず）で煤塵が除去され、脱硫装置２で硫黄酸化物が除去され、充填塔２２でＣＯ２が回収されて、煙突４から大気へ放出される。充填塔２２でＣＯ２を回収する際には、窒素酸化物および硫黄酸化物の吸収・吸着と煤塵の付着とによって、固体吸着材２１のＣＯ２の吸着性能が低下する。このため、窒素酸化物、煤塵および硫黄酸化物を除去して浄化した後の排ガスを充填塔２２へ導き、固体吸着材２１の吸着性能の低下を抑制する。
【００２７】
脱硫装置２と充填塔２２とを接続する配管には、弁３１とファン５２が設けられており、脱硫装置２と煙突４とを接続する配管には、弁３２が設けられている。ＣＯ２を回収する場合は、弁３１を開き、排ガスをファン５２で誘引して充填塔２２に導く。排ガスの全量を充填塔２２に導く場合には、弁３２を閉じればよい。
【００２８】
充填塔２２は、実施例４で述べるように、固体吸着材２１と冷却水や蒸気といった伝熱媒体とが非接触で伝熱できる構造とする。固体吸着材２１と伝熱媒体とが直接接触する構造は、伝熱媒体に含まれる水分により固体吸着材２１が濡れるので、固体吸着材２１を乾かすための装置が必要となったり、固体吸着材２１の吸着性能の低下を招いたりするので、好ましくない。充填塔２２では、固体吸着材２１が充填されている空間にＣＯ２を含む排ガスを通気させ、固体吸着材２１にＣＯ２を吸着させる。ＣＯ２が少なくなった排ガスは、煙突４から大気に放出する。
【００２９】
ボイラ１で得た高温の高圧蒸気Ｃ、Ｄは、高圧タービン１１、中圧タービン１２および低圧タービン１３に導かれ、発電機１４での発電に利用される。低圧タービン１３を駆動した蒸気は、復水器１５で冷却されて凝縮する。復水器１５で凝縮した水は、ポンプ５１と弁３３を介して、低圧給水加熱器１６〜１９、脱気器２０および高圧給水加熱器に供給されて高圧タービン１１、中圧タービン１２および低圧タービン１３から抽気した蒸気を用いて加熱され、再びボイラ１で高圧蒸気になる。なお、高圧給水加熱器は、図１に示していないが、脱気器２０とボイラ１の間に配置される。
【００３０】
固体吸着材２１には、アルカリ金属、アルカリ土類金属もしくは希土類元素の酸化物で構成される無機材料、またはシリカアルミナの無機材料が用いられる。これらの材料にＣＯ２が吸着すると、発熱し、材料自体の温度が上昇する。以下、この発熱を「吸着熱」と称する。固体吸着材２１は温度が低いほどＣＯ２を多く吸着することができるため、温度が上昇した固体吸着材２１を冷却することが望ましい。
【００３１】
固体吸着材２１を冷却する伝熱媒体（冷却水）として、復水器１５で蒸気を凝縮させた水を用いる。復水器１５から充填塔２２に給水するための配管を設け、この配管に調節弁４３を設置する。調節弁４３を開くと、復水器１５から充填塔２２に冷却水を供給できる。充填塔２２では、固体吸着材２１は、冷却水と直接接触せずに冷却される。
【００３２】
復水器１５から低圧給水加熱器１６〜１９、脱気器２０および高圧給水加熱器と充填塔２２とに給水するために、復水器１５に、途中の分岐点で２つに分岐する配管を接続してもよい。この配管の一方の分岐で充填塔２２に復水器１５で凝縮した水（冷却水）を供給し、他方の分岐で低圧給水加熱器１６〜１９、脱気器２０および高圧給水加熱器に復水器１５で凝縮した水を供給する。弁３３は、この分岐点と低圧給水加熱器１９との間に設け、調節弁４３は、この分岐点と充填塔２２との間に設ける。
【００３３】
固体吸着材２１を冷却した冷却水は、温度が上昇する。温度が上昇したこの水は、低圧給水加熱器１６〜１９、脱気器２０および高圧給水加熱器のうち、少なくとも１つに供給される。この水を、低圧給水加熱器１６〜１９、脱気器２０および高圧給水加熱器のうちどれに供給するかは、水の温度に応じて定めることができる。図１に示した例では、低圧給水加熱器１９の上流側に供給している。
【００３４】
本実施例によるＣＯ２固体吸着材システムでは、復水器１５で凝縮させた水を用いて固体吸着材２１を冷却する。この結果、固体吸着材２１のＣＯ２の吸着量を増やすことができる。さらに、冷却水を介して吸着熱を低圧給水加熱器１６〜１９、脱気器２０および高圧給水加熱器のうち少なくとも１つに与えることにより、蒸気タービン１１〜１３を駆動するエネルギーを増加させることができる。このため、本システムでは、効率的な熱回収を行って使用する熱の量を低減し、発電量を増加させることができる。
【実施例２】
【００３５】
図２を用いて、本発明によるＣＯ２固体吸着材システムの実施例２について説明する。実施例２では、固体吸着材を再生するとき、すなわち固体吸着材がＣＯ２を脱離するときのＣＯ２固体吸着材システムについて説明する。
【００３６】
図２は、ＣＯ２固体吸着材システムの概略を示す構成図であり、固体吸着材を再生するときのシステムを示している。図２において、図１と同一の符号は、図１と同一または共通の要素を示しており、これらの要素については説明を省略する。ＣＯ２固体吸着材システムは、圧縮機５３と気液分離器６８をさらに備える。
【００３７】
充填塔２２において、固体吸着材２１からＣＯ２を脱離させ固体吸着材２１を再生させるための加熱源として、蒸気タービンから抽気した蒸気を用いる。図２では、中圧タービン１２の後流から充填塔２２に蒸気Ａを供給する配管を設け、この配管に調節弁４２を設けている。調節弁４２を開くと、中圧タービン１２から蒸気Ａを充填塔２２に供給することができる。充填塔２２では、固体吸着材２１は、伝熱媒体である蒸気と直接接触することなく加熱される。固体吸着材２１を加熱した蒸気は、固体吸着材２１に顕熱と潜熱を与え、温度が低下して液化する。顕熱に比べて潜熱は大きく、固体吸着材２１は、主に蒸気の有する潜熱で加熱され、ＣＯ２を脱離する。
【００３８】
ＣＯ２化学吸収システムでも、蒸気タービンから抽気した蒸気を用いて、吸収液からＣＯ２を脱離させる。しかし、吸収液はアミン水溶液であり、高温の蒸気を用いるとアミンが分解して熱劣化する。これを防ぐために、蒸気の温度を低下させる減温器を設け、アミンが分解しない温度の蒸気を吸収液に供給する。
【００３９】
本実施例では、ＣＯ２を吸着する固体吸着材２１に無機材料を用いるため、蒸気タービンから抽気する高温の蒸気で固体吸着材２１が劣化しない。したがって、減温器は不要であり、ＣＯ２化学吸収システムよりもシステムが簡単になる。
【００４０】
固体吸着材２１から脱離したＣＯ２は、圧縮機５３で加圧され、液化ＣＯ２５４として回収される。充填塔２２が、固体吸着材２１と蒸気とを直接接触させて固体吸着材２１を加熱する構造であれば、充填塔２２と圧縮機５３の間に、蒸気を冷却して液化させる凝縮器を設け、ＣＯ２と水（液化した蒸気）を分離した後で、圧縮機５３にＣＯ２を導く必要がある。しかし、本実施例の充填塔２２では、固体吸着材２１を蒸気と非接触で加熱するので、蒸気を冷却して液化させる凝縮器は不要であり、システムが簡単になる。
【００４１】
固体吸着材２１を加熱した後の蒸気は、液化させて脱気器２０の液相に供給する。充填塔２２と脱気器２０の間に気液分離器６８と調節弁４１を設け、気液分離器６８で蒸気を液化させる。
【００４２】
蒸気を液化させる温度は、調節弁４１の開度で定まる気液分離器６８の気相の圧力で調節できる。気液分離器６８の気相温度と液相温度は同じであり、気相温度と液相温度は、気相の圧力が高いと高く、圧力が低いと低くなる。本実施例では、気液分離器６８の液相温度が脱気器２０の水温と同じになるように、気液分離器６８の気相の圧力を調節弁４１の開度を変えて調整する。
【００４３】
固体吸着材２１を加熱した後の蒸気を液化させて、低圧給水加熱器１６〜１９の少なくとも１つに供給することもできる。この場合には、低圧給水加熱器１６〜１９の水温は脱気器２０の水温よりも低いので、脱気器２０の水温より低い温度で蒸気を液化させるように調節弁４１の開度を変える。また、固体吸着材２１を加熱した後の蒸気を液化させて、高圧給水加熱器に供給することもできる。この場合には、高圧給水加熱器の水温は脱気器２０の水温よりも高いので、脱気器２０の水温より高い温度で蒸気を液化させるように調節弁４１の開度を変える。
【００４４】
すなわち、固体吸着材２１を加熱した後の蒸気を気液分離器６８で液化させる温度は、液化した蒸気を脱気器２０、低圧給水加熱器１６〜１９および高圧給水加熱器のうちどこに供給するかに応じて、変えることができる。固体吸着材２１を加熱した後の蒸気（気液分離器６８で液化させた蒸気）を脱気器２０、低圧給水加熱器１６〜１９および高圧給水加熱器のうちどこに供給するかは、充填塔２２から出る蒸気の温度に基づいて決めることができる。
【００４５】
本実施例によるＣＯ２固体吸着材システムでは、固体吸着材２１を再生させるための加熱源として、蒸気タービンから抽気した蒸気を用いるので、効率的な熱回収を行って使用する熱の量を低減することができる。
【実施例３】
【００４６】
図３を用いて、本発明によるＣＯ２固体吸着材システムの実施例３について説明する。実施例３では、ＣＯ２の回収と固体吸着材の再生を行うときのＣＯ２固体吸着材システムについて説明する。すなわち、本実施例では、実施例１と実施例２を組合せ、固体吸着材がＣＯ２を吸着する工程から固体吸着材を再生する工程への切替えと、この逆に固体吸着材を再生する工程から固体吸着材がＣＯ２を吸着する工程への切替えについて説明する。
【００４７】
図３は、ＣＯ２固体吸着材システムの概略を示す構成図であり、ＣＯ２の回収（ＣＯ２の吸着）と固体吸着材の再生を行うときのシステムを示している。図３において、図１および図２と同一の符号は、図１および図２と同一または共通の要素を示しており、これらの要素については説明を省略する。
【００４８】
ＣＯ２固体吸着材システムは、制御装置６５〜６７、温度計６２〜６４、圧力計６１およびＣＯ２濃度計６９をさらに備える。蒸気タービンから抽気した蒸気Ａを充填塔２２へ供給する配管には、弁３６が設けられている。
【００４９】
充填塔２２と煙突４とを接続する配管は、途中に分岐点を有し、２つに分岐する。一方の分岐の配管は、固体吸着材２１から脱離したＣＯ２を圧縮機５３に供給する。この分岐の配管には、分岐点と圧縮機５３との間に弁３７が設けられている。他方の分岐の配管は、充填塔２２から排出された排ガスを煙突４に供給する。この分岐の配管には、分岐点と煙突４との間に弁３５が設けられている。
【００５０】
充填塔２２と気液分離器６８を接続する配管は、途中に分岐点を有し、２つに分岐する。一方の分岐の配管は、復水器１５と低圧給水加熱器１９とを接続する配管に合流する。この分岐の配管には、分岐点と低圧給水加熱器１９との間に調節弁３４が設けられている。他方の分岐の配管は、気液分離器６８に接続し、分岐点と気液分離器６８との間に調節弁３８を備える。調節弁３８は、充填塔２２と気液分離器６８を接続する配管が復水器１５と低圧給水加熱器１９を接続する配管へ分岐する分岐点よりも、気液分離器６８に近い方に設ける。
【００５１】
まず、固体吸着材２１がＣＯ２を吸着する工程について説明する。
【００５２】
ＣＯ２を吸着するときには、弁３３を閉じて調節弁４３を開き、復水器１５で凝縮させた水（冷却水）を充填塔２２に供給する。弁３３を閉じているため、復水器１５で凝縮させた水の全量を充填塔２２に導入することになる。弁３３を開き、調節弁４３によって充填塔２２に導入する水の量を調節してもよい。
【００５３】
充填塔２２では、排ガスの流れ方向に沿ってＣＯ２が固体吸着材２１に吸着し、これに伴って固体吸着材２１の温度が上昇する。温度が上昇した固体吸着材２１を冷却するために、水と排ガスの流れは並流にすることが望ましい。固体吸着材２１は、冷却水と直接接触せずに冷却される。
【００５４】
固体吸着材２１を冷却した水は、充填塔２２から排出される。調節弁３４を開くことにより、充填塔２２から排出された水を、低圧給水加熱器１６〜１９に供給することができる。
【００５５】
固体吸着材２１でＣＯ２が吸着されＣＯ２が回収された排ガスは、弁３７を閉じ弁３５を開いて、煙突４から放出される。
【００５６】
次に、固体吸着材２１がＣＯ２を吸着する工程から固体吸着材２１を再生する工程への切替えについて説明する。この切替えには、以下の２つの手順が含まれる。
１）弁３３を開き、調節弁４３を閉じて、復水器１５から充填塔２２への水の供給を停止する。
２）調節弁４２と弁３６を開き、蒸気タービン（図３では中圧タービン１２）から抽気した蒸気Ａを充填塔２２へ供給する。
【００５７】
充填塔２２において、固体吸着材２１を再生する工程での蒸気の導入口と、固体吸着材２１がＣＯ２を吸着する工程での水の導入口とを、共通にする。さらに、固体吸着材２１を再生する工程での蒸気の排出口と、固体吸着材２１がＣＯ２を吸着する工程での水の排出口とを、共通にする。すなわち、充填塔２２において、固体吸着材２１を再生する工程での蒸気と、固体吸着材２１がＣＯ２を吸着する工程での水とは、同一の導入口にて導入され、同一の排出口にて排出される。このような構成により、伝熱媒体（蒸気と水）が流れる配管を吸着時と再生時とで有効に共有することができ、本システムの構造を簡単にすることができるとともに、本システムの建設コストや保守・維持コストを低減することができる。
【００５８】
充填塔２２の伝熱媒体の導入箇所の手前では、復水器１５からの水が流れる配管と、蒸気タービンからの蒸気Ａが流れる配管とが合流する。この合流地点に温度計６３を設置し、この合流地点の温度を計測する。吸着工程から再生工程へ切替えると、充填塔２２に供給される伝熱媒体が水から蒸気に変わるので、この合流地点の温度は急激に上昇する。配管の内壁と外壁の温度差が大きいと、配管には熱応力による破損が生じるため、配管の温度を緩慢に上昇させる必要がある。
【００５９】
そこで、制御装置６５を用いて、充填塔２２に供給する蒸気Ａの流量を緩慢に増やすように制御する。制御装置６５は、温度計６３の計測温度を取り込み、前述の合流地点の温度が予め定めた速度以下で上昇するように調節弁４２の開度を調節し、充填塔２２に供給する蒸気の流量を自動制御する。この予め定めた速度は、配管の熱強度に応じて定めることができる。
【００６０】
また、温度計６４を、充填塔２２と気液分離器６８を接続する配管が復水器１５と低圧給水加熱器１９を接続する配管へ分岐する分岐点に設ける。温度計６４は、この分岐点での、充填塔２２から排出された伝熱媒体（蒸気と水）の温度を計測する。この分岐点の温度は、充填塔２２へ供給された蒸気が充填塔２２から排出されるにつれて次第に上昇する。この分岐点の温度が、予め定めた温度に到達した後、次の手順を行う。
３）調節弁３８を開き、調節弁３４を閉じ、充填塔２２で固体吸着材２１と熱交換した蒸気を脱気器２０へ供給する。
【００６１】
この手順３）は、制御装置６５を用いて自動制御することができる。制御装置６５は、温度計６４の計測温度を取り込み、前述の分岐点の温度が予め定めた温度に到達したら、調節弁３８を開いて調節弁３４を閉じる。この場合、温度計６４の計測温度は、配管内を流れる流体が水から蒸気に変わるため、急激に上昇する。この予め定めた温度は、温度計６４の計測温度が急激に上昇する範囲の温度であり、給水加熱器や脱気器の運用に応じて定めることが望ましい。
【００６２】
気液分離器６８で液化した水を脱気器２０の液相に供給するため、気液分離器６８の気相部に圧力計６１を設ける。圧力計６１は、充填塔２２から排出された蒸気を気液分離器６８に供給する配管に設けてもよい。調節弁４１の開度を変えることにより、脱気器２０に供給する水量を制御する。この制御により、気液分離器６８の気相部は、脱気器２０に供給する水量に応じた圧力が得られ、気液分離器６８の液相部は、この圧力に応じた水温となる。したがって、本実施例では、次の手順を行う。
４）気液分離器６８の気相の圧力を圧力計６１で計測し、気液分離器６８の液相温度が脱気器２０の水温と同じになるように、調節弁４１の開度を変えることで気液分離器６８の気相の圧力を調整する。
【００６３】
脱気器２０には、脱気器２０の水の温度を測定する温度計６２を設ける。制御装置６６は、温度計６２が計測した脱気器２０の水の温度と、圧力計６１が計測した気液分離器６８の気相の圧力とを取り込む。そして、制御装置６６は、脱気器２０の水温と気液分離器６８の液相温度とが等しくなるように調整弁４１の開度を自動的に制御する。
【００６４】
以上の説明では、気液分離器６８の液相温度が脱気器２０の水温と同じになるように、調節弁４１の開度を変えたが、気液分離器６８の液相温度が低圧給水加熱器１６〜１９または高圧給水加熱器の水温と同じになるように、調節弁４１の開度を変えてもよい。この場合は、低圧給水加熱器１６〜１９または高圧給水加熱器に温度計６２を設けて、低圧給水加熱器１６〜１９または高圧給水加熱器の水の温度を測定する。制御装置６６は、温度計６２が計測した低圧給水加熱器１６〜１９または高圧給水加熱器の水の温度と、圧力計６１が計測した気液分離器６８の気相の圧力とを取り込む。
【００６５】
充填塔２２に収納された固体吸着材２１は、蒸気によって加熱され、次第にＣＯ２を放出する。吸着から再生への工程の切替え直後は、固体吸着材２１の充填層中に排ガス成分が含まれており、充填塔２２から放出する排ガス中のＣＯ２濃度は高くない。したがって、排ガス中のＣＯ２濃度が予め定めた値以上に達した後、圧縮機５３にＣＯ２濃度の高い排ガスを送る。排ガス中のＣＯ２濃度を計測するために、充填塔２２から排ガスを排出する配管が圧縮機５３と煙突４とに分岐する分岐点にＣＯ２濃度計６９を設ける。
そして、次の手順を行う。
５）充填塔２２から排ガスを排出する配管が圧縮機５３と煙突４とに分岐する分岐点で、排ガス中のＣＯ２濃度が予め定めた値以上に達したら、弁３７を開き、弁３５を閉じる。
【００６６】
制御装置６７は、ＣＯ２濃度計６９が計測したＣＯ２濃度を取り込み、このＣＯ２濃度が予め定めた値以上に達したら弁３７を開いて弁３５を閉じる制御を自動的に実行する。この予め定めたＣＯ２濃度の値は、圧縮機５３に応じて定めることができる。
【００６７】
次に、固体吸着材２１を再生する工程から固体吸着材２１がＣＯ２を吸着する工程への切替えについて説明する。この切替えには、以下の２つの手順が含まれる。
６）調節弁４２を閉じ、蒸気タービンから抽気した蒸気Ａを充填塔２２へ供給するのを停止する。
７）調節弁４３を開き、復水器１５から充填塔２２へ水を供給する。
【００６８】
再生工程から吸着工程へ切替えると、充填塔２２に供給される伝熱媒体が蒸気から水に変わるので、復水器１５からの水が流れる配管と蒸気タービンからの蒸気Ａが流れる配管とが合流する地点の温度（温度計６３で計測する温度）が急激に低下する。この温度低下による配管の破損を抑止するために、配管の温度を緩慢に低下させる必要がある。
【００６９】
そこで、制御装置６５を用いて、充填塔２２に供給する蒸気Ａの流量を緩慢に増やすように制御する。制御装置６５は、温度計６３の計測温度を取り込み、前述の合流地点の温度が予め定めた速度以下で上昇するように調節弁４２の開度を調節し、充填塔２２に供給する蒸気の流量を自動制御する。この予め定めた速度は、配管の熱強度に応じて定めることができる。
【００７０】
温度計６４は、前述したように、充填塔２２と気液分離器６８を接続する配管が復水器１５と低圧給水加熱器１９を接続する配管へ分岐する分岐点に設けられている。温度計６４が計測するこの分岐点の温度は、次第に低下する。この分岐点の温度が、予め定めた温度に到達した後、次の手順を行う。
８）調節弁３８を閉じ、調節弁３４を開き、充填塔２２で固体吸着材２１と熱交換した水を低圧給水加熱器１６〜１９に供給する。
【００７１】
この手順８）は、制御装置６５を用いて自動制御することができる。制御装置６５は、温度計６４の計測温度を取り込み、前述の分岐点の温度が予め定めた温度に到達したら、調節弁３８を閉じて調節弁３４を開く。この場合、温度計６４の計測温度は、配管内を流れる流体が蒸気から水に変わるため、急激に低下する。手順８）での予め定めた温度は、温度計６４の計測温度が急激に低下する範囲の温度であり、給水加熱器や脱気器の運用に応じて定めることが望ましい。
【００７２】
調節弁３８を閉じると、気液分離器６８の気相部の圧力は、急激に低下する。制御装置６６は、温度計６２が計測した脱気器２０の水の温度と、圧力計６１が計測した気液分離器６８の気相の圧力とを取り込み、脱気器２０の水温に対して気液分離器６８の気相の圧力が不足していることを自動的に判断し、調整弁４１を閉じる制御を自動的に実行する。
【００７３】
そして、次の手順を行う。
９）弁３１を開き、排ガスを充填塔２２に供給する。
【００７４】
この手順により、充填塔２２から排ガスを排出する配管が圧縮機５３と煙突４とに分岐する分岐点でのＣＯ２濃度（ＣＯ２濃度計６９が計測する）は、低下する。制御装置６７は、ＣＯ２濃度計６９が計測したＣＯ２濃度を取り込み、このＣＯ２濃度が予め定めた値以下に達したら弁３７を閉じて弁３５を開く制御を自動的に実行する。この予め定めたＣＯ２濃度の値は、本ＣＯ２固体吸着材システムが排出するＣＯ２濃度として規定される値に応じて定めることができる。
【００７５】
次に、吸着工程から再生工程への切替えのタイミング、および再生工程から吸着工程への切替えのタイミングについて説明する。
【００７６】
固体吸着材からＣＯ２を脱離させて固体吸着材を再生するためには、蒸気タービンから蒸気を抽気し、蒸気の熱エネルギーを使用する。蒸気を抽気する間は、蒸気タービンの出力は低下してしまう。したがって、従来の運転では蒸気タービンの出力を低下させる（すなわち、発電量を低下させる）時間帯に、蒸気タービンの出力を低下させないで、余剰分の熱エネルギーをＣＯ２の脱離エネルギーに使用すればよい。これを実現できる時間帯は、電気エネルギーの使用量が低下する夜間が望ましい。したがって、再生工程は、夜間に行うのが望ましい。
【００７７】
一方、昼間にＣＯ２を回収すると、ＣＯ２の吸着による反応熱を蒸気タービンの出力に活用することができるため、昼間の電力不足の解消に寄与することができる。したがって、吸着工程は、昼間に行うのが望ましい。
【００７８】
以上より、１日の中で、夜に吸着工程から再生工程へ切替え、早朝に再生工程から吸着工程へ切替えることが望ましい。このように切替えると、蒸気タービンは、夜間に出力を低下させなくてすむとともに、昼間にＣＯ２の吸着による反応熱を活用することができる。したがって、効率的な熱回収を行って使用する熱の量を低減する効果が得られるとともに、１日のサイクルの中でボイラの負荷（出力）の変動を小さくでき、ボイラの耐用年数が伸びる効果が得られる。
【実施例４】
【００７９】
図４Ａと図４Ｂを用いて、本発明の実施例による充填塔２２の構造について説明する。図４Ａは、充填塔２２の上面を示す模式図であり、図４Ｂは充填塔２２の側面を示す模式図である。
【００８０】
図４Ａと図４Ｂに示すように、充填塔２２は、円筒容器２３を備え、円筒容器２３の中に固体吸着材２１が充填されている。固体吸着材２１を冷却または加熱する伝熱媒体（水または蒸気）は、円筒容器２３の周囲に流れる。このような構造により、伝熱媒体と非接触で固体吸着材２１を冷却または加熱することができる。また、充填塔２２は、外周が断熱材７１で覆われており、大気と伝熱媒体との間の伝熱を抑制することができる。
【００８１】
固体吸着材２１が充填された円筒容器２３は、伝熱媒体により、外側から内側に向かって冷却または加熱されるため、円筒容器２３の外側と内側では温度差が生じる。この温度差が大きいと、固体吸着材２１を十分に冷却または加熱できない。そこで、円筒容器２３の直径は、円筒容器２３の内外の温度差が小さくなるような大きさに設定することが望ましい。
【００８２】
さらに、固体吸着材２１の充填層の高さを高くすると圧力損失が高くなり、排ガスが通気できなくなる。そこで、固体吸着材２１の充填層の高さは、排ガスを通気させることができる高さにとどめることが望ましい。
【００８３】
このような理由により、円筒容器２３の直径と、固体吸着材２１の充填層の高さには上限がある。したがって、ＣＯ２固体吸着材システムのＣＯ２の回収能力を高めるためには、充填塔２２の数を増やすとともに、固体吸着材２１を充填した円筒容器２３の本数を増やすのが好ましい。
【００８４】
そこで、図４Ａと図４Ｂでは、一例として、２つの充填塔２２を並列に接続した構成を示している。それぞれの充填塔２２は、４本の円筒容器２３を備える。なお、充填塔２２の数は、１つでも３つ以上でもよい。また、１つの充填塔２２が備える円筒容器２３の本数は、３本以下でも５本以上でもよい。充填塔２２の数と円筒容器２３の本数は、排ガス中のＣＯ２の量や固体吸着材２１のＣＯ２の吸着能力に応じて定めることができる。
【００８５】
伝熱媒体である水と蒸気は、充填塔２２のそれぞれに供給される。既に述べたが、充填塔２２では、伝熱媒体である水の導入箇所と、伝熱媒体である蒸気の導入箇所は、同じである。伝熱媒体の導入箇所には、弁７２を設ける。また、伝熱媒体である水の排出箇所と、伝熱媒体である蒸気の排出箇所は、同じである。伝熱媒体の排出箇所には、弁７３を設ける。
【００８６】
ＣＯ２を含む排ガスは、充填塔２２が備える円筒容器２３のそれぞれに供給され、円筒容器２３のそれぞれから排出される。充填塔２２への排ガスの導入箇所には、弁７４を設け、充填塔２２からの排ガスの排出箇所には、弁７５を設ける。
【００８７】
弁７２を開くと、水または蒸気の伝熱媒体は、充填塔２２に供給され、円筒容器２３の外側から非接触で固体吸着材２１を冷却または加熱する。弁７３を開くと、伝熱媒体は、充填塔２２から排出される。吸着工程では、弁７４を開いてＣＯ２を含む排ガスを円筒容器２３内に通気し、弁７５を開いて排ガスを円筒容器２３から排気する。再生工程では、弁７２を開き、弁７５を開いて固体吸着材２１から脱離したＣＯ２を排気する。
【００８８】
ＣＯ２固体吸着材システムに複数の充填塔２２を設けると、一部の充填塔２２に対する弁７２〜７５を閉じて、この一部の充填塔２２を通常は使用しない予備の充填塔２２とすることが可能である。予備の充填塔２２の数は、１つでも複数でもよい。
【００８９】
使用している充填塔２２と予備の充填塔２２とを切替えることにより、ＣＯ２固体吸着材システムの連続運転が可能であり、さらに、使用している充填塔２２をメンテナンスすることが可能である。メンテナンスの例としては、劣化した固体吸着材２１の詰め替え作業、および配管や容器の損傷の点検作業がある。
【符号の説明】
【００９０】
１…ボイラ、２…脱硫装置、４…煙突、１１…高圧タービン、１２…中圧タービン、１３…低圧タービン、１４…発電機、１５…復水器、１６〜１９…低圧給水加熱器、２０…脱気器、２１…固体吸着材、２２…充填塔、２３…円筒容器、３１〜３３、３５〜３７…弁、３４、３８、４１〜４３…調節弁、５１…ポンプ、５２…ファン、５３…圧縮機、５４…液化ＣＯ２、６１…圧力計、６２〜６４…温度計、６５〜６７…制御装置、６８…気液分離器、６９…ＣＯ２濃度計、７１…断熱材、７２〜７５…弁。
【図１】
2014094331.tif 000003
【図２】
2014094331.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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