(57)【要約】【課題】  中間供給ＰＳＡ法を利用した従来の二酸化炭素分離回収システムに比べて二酸化炭素を効率的に分離回収することが可能な二酸化炭素分離回収システムを提供する。【解決手段】  中間供給ＰＳＡ法を利用した二酸化炭素分離回収システムにおいて、吸着材が充填された少なくとも対をなす吸・脱着塔と、前記各吸・脱着塔の中間にそれぞれ連結され、二酸化炭素を含む原料ガスを供給するための切替可能なガス導入配管と、前記各吸・脱着塔の一端で精製ガスの一部を相互に還流させるための精製ガス還流手段と、前記各吸・脱着塔の他端で二酸化炭素濃縮ガスの一部を相互に還流させるための濃縮ガス還流手段と、前記各吸・脱着塔における前記ガス導入配管の連結部を境にして一端に向かう領域を精製領域、他端に向かう領域を濃縮領域とし、この濃縮領域の温度を前記精製領域のそれより高くするための温度制御手段とを具備したことを特徴とする。【選択図】    図１
2005262001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
双方向還流原料ガス中間供給圧力スイング吸着法を利用した二酸化炭素分離回収システムにおいて、
吸着材が充填された少なくとも対をなす吸・脱着塔と、
前記各吸・脱着塔の中間にそれぞれ連結され、二酸化炭素を含む原料ガスを供給するための切替可能なガス導入配管と、
前記各吸・脱着塔の一端で精製ガスの一部を相互に還流させるための精製ガス還流手段と、
前記各吸・脱着塔の他端で二酸化炭素濃縮ガスの一部を相互に還流させるための濃縮ガス還流手段と、
前記各吸・脱着塔における前記ガス導入配管の連結部を境にして一端に向かう領域を精製領域、他端に向かう領域を濃縮領域とし、この濃縮領域の温度を前記精製領域のそれより高くするための温度制御手段と
を具備したことを特徴とする二酸化炭素分離回収システム。
【請求項２】
双方向還流原料ガス中間供給圧力スイング吸着法を利用した二酸化炭素分離回収システムにおいて、
吸着材が充填された少なくとも対をなす吸・脱着塔と、
前記各吸・脱着塔にそれぞれ連結され、二酸化炭素を含む原料ガスを供給するための切替可能なガス導入配管と、
前記各吸・脱着塔の一端で精製ガスの一部を相互に還流させるための精製ガス還流手段と、
前記各吸・脱着塔の他端で二酸化炭素濃縮ガスの一部を相互に還流させるための濃縮ガス還流手段と、
前記各吸・脱着塔の温度を制御するための温度制御手段と
を具備し、
前記ガス導入配管は、複数に分岐され、それら分岐配管は前記各吸・脱着塔の高さ方向の複数位置に連結され、かつ
前記温度制御手段は、冷却・加熱の切替が可能で、前記各分岐配管の間に位置する各吸・脱着塔の領域に対応してそれぞれ複数配置されることを特徴とする二酸化炭素分離回収システム。
【請求項３】
前記原料ガスの濃度に応じて前記各分岐配管への原料ガスの供給および前記複数の温度制御手段の冷却・加熱を自動的に切替るための自動切替制御装置をさらに有することことを特徴とする請求項２記載の二酸化炭素分離回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素を含有する排ガスのような原料ガスから二酸化炭素を回収するための二酸化炭素分離回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素は、京都議定書において特記された地球温暖化現象起因ガスのうちの一つであり、人工的に生成された二酸化炭素の排出量を規制することが提起されている。このため、二酸化炭素含有排ガスのような原料ガスから高効率および低コストで二酸化炭素を分離回収することが望まれている。
【０００３】
二酸化炭素のガス分離法には、特定成分ガスの分離回収を主目的とするものと、その特定成分ガスの除去によるガス精製を主目的とするものとがある。
【０００４】
従来、前者の二酸化炭素の分離回収技術としては、吸収法、圧力スイング吸着法（Pressure Swing Adsorption、以下「ＰＳＡ法」と略す）、膜分離法等が知られている。中でも吸着法は二酸化炭素の吸着容量が大きく、かつ共存する空気等のキャリヤガス成分に対する吸着選択性が高い固体吸着材を用いるため、分離性能の優れた方法として知られている。
【０００５】
前記ＰＳＡ法を二酸化炭素の回収に適用した場合には、吸着ステップにおいて高い圧力下で原料ガスを吸着材が充填された対をなす吸・脱着塔の一方に流通させて二酸化炭素をその吸着材に吸着させ、脱着ステップにおいて他方の吸・脱着塔を低い圧力にしてその吸着材に吸着ステップで吸着された二酸化炭素を脱着させて回収する。すなわち、このＰＳＡ法は吸着材が二酸化炭素を吸着した後において低圧力に移行させて圧力差を生じさせると、二酸化炭素を脱着すると共に、それ自身の二酸化炭素吸着性が回復される特性を利用したものである。
２塔式ＰＳＡの二酸化炭素回収システムでは、２塔の吸・脱着塔を圧力スイングさせることにより、高圧力下での吸着ステップおよび低圧力下での脱着ステップを交互に行い、連続的に二酸化炭素の分離、回収を行うものである。
【０００６】
圧力スイングによる脱着については、“加圧から常圧への減圧”もしくは“常圧または加圧から真空ポンプによる吸引による減圧”の下で行われ、吸着ステップおよび脱着ステップをもって”１サイクル”と呼称される。
【０００７】
回収される製品ガスの二酸化炭素濃度を増加させるための一手法としては、脱着ステップがなされる吸・脱着塔から排出されたガス（以下、「濃縮ガス」と称す）の一部を吸着ステップがなされる吸・脱着塔に供給する。この工程は、“濃縮還流”と称され、吸着ステップがなされる他方の吸・脱着塔において原料ガスの流れと同一方向に供給される。
【０００８】
二酸化炭素の回収率を増加させるための一手法としては、吸着ステップがなされる吸・脱着塔から排出されたガス（以下、「精製ガス」と称す）の一部を脱着ステップがなされる吸・脱着塔に供給する。この工程は“精製還流”と称され、脱着ステップがなされる吸・脱着塔において濃縮ガスの排出方向と同一方向に供給される。
【０００９】
前述したＰＳＡ法において、吸着ステップがなされる吸・脱着塔では原料ガスの導入、一端側での精製ガスの排出、他端側での濃縮還流がなされ、脱着ステップがなされる吸・脱着塔では一端側での精製還流、他端側での濃縮ガスの排出がなされる。
【００１０】
しかしながら、このＰＳＡ法は吸着効果もしくは回収効率において必ずしも十分に満足するものではなかった。
このようなことから、特許文献１にはＰＳＡ法を利用した吸・脱着塔を多段にすることにより二酸化炭素の分離、回収特性を向上させる方法が開示されている。しかしながら、この方法は吸・脱着塔を多段にするために、システムの複雑化、高コスト化を招く問題があった。
一方、前述したＰＳＡ法に比べ吸着効果もしくは回収効率の向上を目的とし、様々な開発が行われており、ＤＲＩＦＰＳＡ法（Dual Reflux Intermediate Feed ＰＳＡ（双方向還流原料ガス中間供給ＰＳＡ）：以下「中間供給ＰＳＡ法」と称す）が知られている。
【００１１】
この中間供給ＰＳＡ法を利用した二酸化炭素分離回収システムは、概ね次のような構成を有する。対をなす吸・脱着塔（第１、第２の吸・脱着塔）は、吸着材がそれぞれ充填されている。二酸化炭素を含む原料ガスを切替可能に供給するためのガス導入配管（第１、第２のガス導入配管）は、前記各吸・脱着塔の中間にそれぞれ連結されている。すなわち、各吸・脱着塔においてガス供給配管の連結部を境にして一端側に向かう領域を原料ガスを精製するための精製領域、他端側に向かう領域を濃縮ガス中の二酸化炭素を吸着するための濃縮領域として機能させている。精製ガス還流配管は、前記各吸・脱着塔の一端側に連結され、この還流配管を通してそれら吸・脱着塔の間で精製ガスの一部が相互に還流される。濃縮ガス還流配管は、前記各吸・脱着塔の他端側に連結され、この還流配管を通してそれら吸・脱着塔の間で二酸化炭素濃縮ガスの一部が相互に還流される。例えば、真空ポンプは、前記各吸・脱着塔の底部に連結され、脱着ステップにおいて吸・脱着塔内を減圧にする。
【００１２】
このような二酸化炭素分離回収システムにおいて、二酸化炭素を含む原料ガスはある時間単位で例えば第１ガス導入配管を通して第１吸・脱着塔の精製領域に供給されると共に、精製ガスが排出され、減圧下に置かれ第２吸・脱着塔の濃縮領域から濃縮ガスが排出される。このとき、例えば第１吸・脱着塔の精製領域から第２吸・脱着塔の精製領域への精製還流と、前記第２吸・脱着塔の濃縮領域から前記第１吸・脱着塔の濃縮領域への濃縮還流とが単一方向のガス流れとしてなされると共に、精製還流による脱着効果の促進、濃縮還流による濃縮ガス生成効果の促進が行われる。したがって、二酸化炭素を含む原料ガスを第１ガス導入配管または第２ガス導入配管に切替えて供給する操作を連続的に行うことにより、常圧下における吸着ステップおよび減圧下における脱着ステップが連続的に行われ、連続的に製品ガスを回収することが可能となる。
【００１３】
ところで、通常のＰＳＡ法および中間供給ＰＳＡ法に用いる吸着材としては圧力変化に伴う平衡吸着量差が大きい、すなわち吸着等温線の傾斜が大きい性質を持つことが高い吸・脱着性を示すために望ましい。二酸化炭素の吸着材としては、ゼオライト系のものが知られている。このゼオライト系吸着材は、低濃度で高い吸・脱着性を示すものの、高濃度において吸着等温線の傾斜が緩やかになって小さくなることから、吸・脱着性が低下する。
【００１４】
従来の中間供給ＰＳＡ法を利用した二酸化炭素分離回収システムにおいて、前述したゼオライト系吸着材を用いると、その性質から製品ガス中の二酸化炭素の高濃度化、製品ガスの高回収化が制限される問題があった。
【特許文献１】特開平５−２２８３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、中間供給ＰＳＡ法を利用した従来の二酸化炭素分離回収システムに比べて二酸化炭素を効率的に分離回収することが可能な二酸化炭素分離回収システムを提供するものである。すなわち、本発明は従来の二酸化炭素分離回収システムと同様な二酸化炭素濃度の原料ガスの使用、同様な還流条件および原料ガスの切替条件等の下で、１）同濃度の二酸化炭素を含む製品ガスを回収する場合には、回収率の向上、２）従来の二酸化炭素分離回収システムと同回収率で製品ガスを回収する場合には製品ガス中の二酸化炭素の高濃度化、さらに３）従来の二酸化炭素分離回収システムより回収率の向上および高濃度化、を達成することができる。
【００１６】
本発明は、中間供給ＰＳＡ法を利用した従来の二酸化炭素分離回収システムに比べて前記１）〜３）の改善を図ることが可能で、さらにユーザの要求に応じた原料ガス中の二酸化炭素の分離回収操作を実行し得る二酸化炭素分離回収システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によると、中間供給ＰＳＡ法を利用した二酸化炭素分離回収システムにおいて、
吸着材が充填された少なくとも対をなす吸・脱着塔と、
前記各吸・脱着塔の中間にそれぞれ連結され、二酸化炭素を含む原料ガスを供給するための切替可能なガス導入配管と、
前記各吸・脱着塔の一端で精製ガスの一部を相互に還流させるための精製ガス還流手段と、
前記各吸・脱着塔の他端で二酸化炭素濃縮ガスの一部を相互に還流させるための濃縮ガス還流手段と、
前記各吸・脱着塔における前記ガス導入配管の連結部を境にして一端に向かう領域を精製領域、他端に向かう領域を濃縮領域とし、この濃縮領域の温度を前記精製領域のそれより高くするための温度制御手段と
を具備したことを特徴とする二酸化炭素分離回収システムが提供される。
【００１８】
なお、前記ガス導入配管が位置される中間とは前記対をなす吸・脱着塔の一端側に前記精製領域、他端側に濃縮領域を形成し得る両端を除く任意の位置である。
【００１９】
また本発明によると、中間供給ＰＳＡ法を利用した二酸化炭素分離回収システムにおいて、
吸着材が充填された少なくとも対をなす吸・脱着塔と、
前記各吸・脱着塔にそれぞれ連結され、二酸化炭素を含む原料ガスを供給するための切替可能なガス導入配管と、
前記各吸・脱着塔の一端で精製ガスの一部を相互に還流させるための精製ガス還流手段と、
前記各吸・脱着塔の他端で二酸化炭素濃縮ガスの一部を相互に還流させるための濃縮ガス還流手段と、
前記各吸・脱着塔の温度を制御するための温度制御手段と
を具備し、
前記ガス導入配管は、複数に分岐され、それら分岐配管は前記各吸・脱着塔の高さ方向の複数位置に連結され、かつ
前記温度制御手段は、冷却・加熱の切替が可能で、前記各分岐配管の間に位置する各吸・脱着塔の領域に対応してそれぞれ複数配置されることを特徴とする二酸化炭素分離回収システムが提供される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、中間供給ＰＳＡ法を利用した従来の二酸化炭素分離回収システムに比べて１）〜３）の改善を図ることが可能で、二酸化炭素の大気への排出を低減して地球の温暖化防止に寄与できると共に、回収した二酸化炭素を清涼飲料水、消化剤など、または液体化して冷凍機の冷却媒体などに有効に利用できる二酸化炭素分離回収システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る二酸化炭素分離回収システムを図面を参照して詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１、図２は、この第１実施形態に係る中間供給ＰＳＡ法を利用した二酸化炭素分離回収システムを示す概略図である。特に、図１では第１吸・脱着塔による吸着ステップ，第２吸・脱着塔による脱着ステップ時の各バルブの開閉状態を、図２では第１吸・脱着塔による脱着ステップ，第２吸・脱着塔による吸着ステップ時の各バルブの開閉状態を示す。なお、図１、図２において開放バルブを白抜き、閉鎖バルブを黒塗りにして表示した。
対をなす吸・脱着塔（第１、第２の吸・脱着塔）１，２は、中間にガスの導入を円滑にするためのメッシュ部３，４が介装されている。これらメッシュ部３，４を境にして前記第１、第２の吸・脱着塔１，２の上部側には、原料ガスを精製するための精製領域５，６が形成されている。前記メッシュ部３，４を境にして前記第１、第２の吸・脱着塔１，２の下部側には、濃縮ガス中の二酸化炭素を吸着するための濃縮領域７，８が形成されている。前記各領域５〜９には、いずれも同種の吸着材、例えばゼオライト系吸着材が充填されている。
【００２２】
ガスポート９，１０は、前記各メッシュ部３、４に対応する前記第１、第２の吸・脱着塔１，２に取り付けられている。ガス導入配管１１から分岐した第１、第２のガス導入配管１２、１３は、前記ガスポート９，１０にそれぞれ連結されている。これら第１、第２のガス導入配管１２、１３には、バルブ１４，１５がそれぞれ介装され、これらバルブ１４，１５を所望の時間間隔で開閉することにより二酸化炭素を含む原料ガスの供給切替がなされる。
【００２３】
前記精製領域５，６が位置する前記第１、第２の吸・脱着塔１，２の上端は、配管１６により相互に連結されている。この配管１６には、２つのバルブ１７，１８が介装されている。配管１９は、一端が前記第１吸・脱着塔１上端とバルブ１７の間の配管１６部分、他端が前記第２吸・脱着塔２上端と前記バルブ１８の間の配管１６部分に連結されている。この配管１９には、２つのバルブ２０，２１が介装されている。精製ガスを排出するための配管２２は、前記バルブ１７，１８間の配管１６部分から分岐されている。この配管２２には、バルブ２３が介装されている。配管２４は、前記分岐点と前記バルブ２３の間の配管２２部分から分岐され、他端が前記バルブ２０，２１間の配管１９に連結されている。この配管２４には、精製還流ニィードルバルブ２５が介装されている。このような配管、バルブおよび精製還流ニィードルバルブにより精製ガス還流手段が構成されている。
前記精製ガス還流手段において、図１に示すように３つのバルブ１７，２１，２３を開き、バルブ１８，２０を閉じ、精製還流ニィードルバルブ２５の開度を調節することにより、前記第１吸・脱着塔１の上端から精製ガスが配管１６、バルブ１７および配管２２を通過し、大部分が矢印に示すようにその配管２２他端から大気に放出されると共に、精製還流ニィードルバルブ２５で絞られた精製ガスの一部が配管２４、バルブ２１が介装された配管１９部分および配管１６を経由して前記第２吸・脱着塔２上端に流れてその内部に還流される。
一方、前記精製ガス還流手段において図２に示すように３つのバルブ１８，２１，２３を開き、２つのバルブ１７，２１を閉じ、精製還流ニィードルバルブ２５の開度を調節することにより、前記第２吸・脱着塔２の上端から精製ガスが配管１６、バルブ１８および配管２２を通過し、大部分が矢印に示すようにその配管２２他端から大気に放出されると共に、精製還流ニィードルバルブ２５で絞られた精製ガスの一部が配管２４、バルブ２０が介装された配管１９および配管１６を経由して前記第１吸・脱着塔１上端に流れてその内部に還流される。
前記濃縮領域７，８が位置する前記第１、第２の吸・脱着塔１，２の下端は、配管２６により相互に連結されている。この配管２６には、２つのバルブ２７，２８が介装されている。配管２９は、一端が前記第１吸・脱着塔１下端と前記バルブ２７の間の配管２６部分、他端が前記第２吸・脱着塔２下端と前記バルブ２８の間の配管２６部分に連結されている。この配管２９には、２つのバルブ３０，３１が介装されている。濃縮ガスを排出するための配管３２は、前記２つのバルブ３０，３１間の配管２９部分から分岐されている。この配管３２には、圧力制御手段であるポンプ３３およびバルブ３４が前記分岐点側から順次介装されている。このポンプ３３は、システム特性上、真空ポンプであることが望ましい。配管３５は、前記ポンプ３３とバルブ３４の間の配管３２部分から分岐され、他端が前記２つのバルブ２７，２８間の配管２６部分に連結されている。この配管３５には、前記ポンプ３３とバルブ３４の間の配管３２の分岐部側から濃縮還流バッファタンク３６、加圧ポンプ３７、濃縮還流ニィードルバルブ３８が介装されている。このような配管、バルブ、濃縮還流ニィードルバルブ、濃縮還流バッファタンクおよび加圧ポンプにより濃縮ガス還流手段が構成されている。
前記濃縮ガス還流手段において、図１に示すようにバルブ２７，３１，３４を開き、バルブ２８，３０を閉じ、濃縮還流ニィードルバルブ３８の開度を調節し、さらに真空ポンプ３３、加圧ポンプ３７を作動することにより、前記第２吸・脱着塔２の下端から濃縮ガスが配管２６、バルブ３１が介装された配管２９および配管３２を通過し、大部分が矢印に示すようにその配管３２他端から製品ガスとして回収されると共に、濃縮還流ニィードルバルブ３８で絞られた濃縮ガスの一部が配管３５、濃縮還流バッファタンク３６およびバルブ２７が介装された配管２６を経由して前記第１吸・脱着塔１下端に流れてその内部に還流される。
一方、前記濃縮ガス還流手段において図２に示すように３つのバルブ２８，３０，３４を開き、バルブ２７，３１を閉じ、濃縮還流ニィードルバルブ３８の開度を調節し、さらに真空ポンプ３３、加圧ポンプ３７を起動することにより、前記第１吸・脱着塔１の下端から濃縮ガスが配管２６、バルブ３０が介装された配管２９および配管３２を通過し、大部分が矢印に示すようにその配管３２他端から製品ガスとして回収されると共に、濃縮還流ニィードルバルブ３８で絞られた濃縮ガスの一部が配管３５、濃縮還流バッファタンク３６およびバルブ２８が介装された配管２６部分を経由して前記第２吸・脱着塔２下端に流れてその内部に還流される。
第１温度管理部材、例えば水道水のような常温水が流通されるチューブ３９，４０は前記第１、第２の吸・脱着塔１、２の精製領域５，６側に配置され、それら精製領域５，６を常温に保持している。第２温度管理部材、例えばリボン状ヒータ４１，４２は前記第１、第２の吸・脱着塔１、２の濃縮領域７，８側に配置され、それらの濃縮領域７，８を加温している。このようなチューブ３９，４０およびリボン状ヒータ４１，４２により温度制御手段が構成される。この温度制御手段による前記第１、第２の吸・脱着塔１、２の精製領域５，６と濃縮領域７，８との温度差は使用する吸着材の特性によって決められる。例えばゼオライト系吸着材の場合には、精製領域５，６を常温にすると、濃縮領域７，８をそれより３０℃高い温度にすることが望ましい。特に精製領域５，６は原料ガス中の比較的低濃度の二酸化炭素の吸着量を増加させる観点から、極力低温にすることが望ましい。ただし、過剰な冷却もしくは加温状態を維持することは、エネルギーコストが増加するため効率的ではない。
【００２４】
次に、前述した図１、図２に示す二酸化炭素分離回収システムの二酸化炭素の吸着、脱着操作を説明する。
（１）第１吸・脱着塔１による吸着ステップ，第２吸・脱着塔２による脱着ステップ
まず、図１に示すようにバルブ１４，１７、２１，２３，２７，３１，３４を開き、バルブ１５，１８，２０，２８，３０を閉じる。また、チューブ３９，４０に水道水を流通させて第１、第２の吸・脱着塔１，２の精製領域５，６をそれぞれ常温に保持し、リボン状ヒータ４１，４２に通電して第１、第２の吸・脱着塔１，２の濃縮領域７、８を例えば６０℃に加温する。これにより精製領域５，６に充填されたゼオライト系吸着材は、常温近傍に保持され、濃縮領域７、８に充填されたゼオライト系吸着材は例えば６０℃近傍に保持される。
【００２５】
この状態において図１に示すように二酸化炭素を含む原料ガス（例えば二酸化炭素を含む排ガス）をガス導入配管１１に供給すると、原料ガスは分岐した第１ガス導入配管１２、開放したバルブ１４、ガスポート９を通して第１吸・脱着塔１のメッシュ部３に導入され、ここからゼオライト系吸着材が充填された精製領域５を上昇する間に二酸化炭素が吸着される。二酸化炭素量が低減されたキャリヤガスは、配管２２から大気に放出される。一方、真空ポンプ３３を起動すると、第２吸・脱着塔２の下端からガスが配管２６，２９，３２を通して吸引され、その濃縮領域８内が減圧になるため、濃縮領域８内に充填されたゼオライト系吸着材から吸着ステップで吸着された二酸化炭素が脱着され、生成された濃縮ガスは前記配管３２を通して回収される。
【００２６】
前記吸着ステップにおいて、第１吸・脱着塔１の精製領域５に充填されたゼオライト系吸着材は水道水が流通されるチューブ３９により常温近傍に保持されているため、ゼオライト系吸着材による低濃度の二酸化炭素に対する高い吸着性が発現され、二酸化炭素が効率よく吸着される。一方、前記脱着ステップにおいて第２吸・脱着塔２の濃縮領域８に充填されたゼオライト系吸着材はリボン状ヒータ４２により例えば６０℃近傍に加温されて保持されているため、圧力変化に伴う平衡吸着量差が大きい、すなわち吸着等温線の傾斜が大きい性質（高い吸・脱着性）を示す。その結果、前記濃縮領域８内を減圧することによって、加温されたゼオライト系吸着材から吸着ステップで吸着された二酸化炭素が効率よく脱着され、二酸化炭素濃度の高い濃縮ガスが回収される。
【００２７】
前記第１吸・脱着塔１の精製ガスは、前記精製ガス還流手段で説明したように精製還流ニィードルバルブ２５の開度に応じ、その一部が配管２４，１９，１６を通して前記第２吸・脱着塔２の精製領域６に還流される。一方、前記第２吸・脱着塔２の濃縮ガスは前記濃縮ガス還流手段で説明したように濃縮還流ニィードルバルブ３８の開度に応じてその一部が配管３５，２６を通して前記第１吸・脱着塔１の濃縮領域７に還流される。なお、この濃縮還流はバッファタンク３６にて一時保管され、加圧ポンプ３７の起動により定量が前記第１吸・脱着塔１の濃縮領域７に還流される。
【００２８】
すなわち、前記第１吸・脱着塔１の精製領域５から前記第２吸・脱着塔２の精製領域６への精製還流、および前記第２吸・脱着塔２の濃縮領域８から前記第１吸・脱着塔１の濃縮領域７への濃縮還流の単一方向のガス流れが生じる。この単一方向のガス流れにおいて、前記精製還流により脱着ステップがなされる第２吸・脱着塔２の精製領域６、濃縮領域８内に充填されたゼオライト系吸着材から既に吸着された二酸化炭素の脱着が促進される。また、前記濃縮還流により吸着ステップがなされる第１吸・脱着塔１の濃縮領域７内に充填されたゼオライト系吸着材での濃縮ガス中の二酸化炭素の吸着がなされ、濃縮ガスの高濃度化が促進される。
【００２９】
このような前記第１、第２の吸・脱着塔１、２の精製領域５、６と濃縮領域７、８の間での温度制御、および精製還流と濃縮還流の相互作用により、前記吸着、脱着ステップにおいて第１吸・脱着塔１の精製領域５で原料ガス中の二酸化炭素を効率よく吸着でき、かつその濃縮領域７で濃縮ガスをより高濃度化でき、第２吸・脱着塔２の濃縮領域８にて吸着ステップで吸着された二酸化炭素を効率的に脱着して二酸化炭素濃度がより高い濃縮ガスを回収できる。
（２）第１吸・脱着塔１による脱着ステップ，第２吸・脱着塔２による吸着ステップ
水道水が流通されるチューブ３９，４０による常温保持、リボン状ヒータ４１，４２による加温を続行した状態で、ある時間単位にてバルブの開閉状態を切替えて第１、第２の吸・脱着塔１、２による吸・脱着を切替える。すなわち図２に示すようにバルブ１５，１８，２０，２３，２８，３０，３２を開き、バルブ１４，１７，２１，２７，３１を閉じる。
この状態において図２に示すように二酸化炭素を含む原料ガスをガス導入配管１１に供給すると、原料ガスは第２ガス導入管１３、開放したバルブ１５、ガスポート１０を通して第２吸・脱着塔２のメッシュ部４に導入され、ここからゼオライト系吸着材が充填された精製領域６を上昇する間に二酸化炭素が吸着される。一方、真空ポンプ３３を起動すると、第１吸・脱着塔１の下端からガスが配管２６，２９，３２を通して吸引され、その濃縮領域７内が減圧になるため、濃縮領域７内に充填されたゼオライト系吸着材から既に吸着された二酸化炭素が脱着され、生成された濃縮ガスは前記配管３２を通して排出される。
【００３０】
前記吸着ステップにおいて、第２吸・脱着塔２の精製領域６に充填されたゼオライト系吸着材は前記（１）で説明したのと同様にゼオライト系吸着材による低濃度の二酸化炭素に対する高い吸着性が発現され、二酸化炭素が効率よく吸着される。一方、前記脱着ステップにおいて前記（１）で説明したのと同様に第１吸・脱着塔１の濃縮領域７に充填されたゼオライト系吸着材から既に吸着された二酸化炭素が効率よく脱着され、二酸化炭素濃度の高い濃縮ガスが回収される。
【００３１】
前記第２吸・脱着塔２の精製ガスは、前記精製ガス還流手段で説明したように精製還流ニィードルバルブ２５の開度に応じ、その一部が配管２４，１９，１６を通して前記第１吸・脱着塔１の精製領域５に還流される。一方、前記第１吸・脱着塔１の濃縮ガスは前記濃縮ガス還流手段で説明したように濃縮還流ニィードルバルブ３８の開度に応じてその一部が配管３５，２６を通して前記第２吸・脱着塔２の濃縮領域８に還流される。なお、この濃縮還流はバッファタンク３６にて一時保管され、加圧ポンプ３７の起動により定量が前記第２吸・脱着塔２の濃縮領域８に還流される。
【００３２】
すなわち、前記第２吸・脱着塔２の精製領域６から前記第１吸・脱着塔１の精製領域５への精製還流、および前記第１吸・脱着塔１の濃縮領域７から前記第２吸・脱着塔２の濃縮領域８への濃縮還流の単一方向のガス流れが生じ、前記（１）で説明したのと同様に前記精製還流により脱着ステップがなされる第１吸・脱着塔１の精製領域５、濃縮領域７内に充填されたゼオライト系吸着材から既に吸着された二酸化炭素の脱着が促進され、前記濃縮還流により吸着ステップがなされる第２吸・脱着塔２の濃縮領域８内に充填されたゼオライト系吸着材での濃縮ガス中の二酸化炭素の吸着がなされ、濃縮ガスの高濃度化が促進される。
【００３３】
このような前記第１、第２の吸・脱着塔１、２の精製領域５、６と濃縮領域７、８の間での温度制御、および精製還流と濃縮還流の相互作用により、前記吸着、脱着ステップにおいて第２吸・脱着塔２の精製領域６で原料ガス中の二酸化炭素を効率よく吸着でき、その濃縮領域８で濃縮ガスをより高濃度化でき、第１吸・脱着塔１の濃縮領域７で既に吸着された二酸化炭素を効率的に脱着して二酸化炭素濃度がより高い濃縮ガスを回収できる。
したがって、第１実施形態に係る二酸化炭素分離回収システムによれば、前記第１、第２の吸・脱着塔１、２の精製領域５、６と濃縮領域７、８との間にゼオライト系吸着材による二酸化炭素の吸・脱着性に見合った温度差を付与して、前記（１）、（２）の操作および切替え操作を連続的に行うことにより、常圧下における吸着ステップでの効率的な吸着、濃縮ガスの二酸化炭素の高濃度化、減圧下における脱着ステップでの効率的な脱着を連続的に行うことができる。
【００３４】
その結果、中間供給ＰＳＡ法を利用した従来の二酸化炭素分離回収システムと同様な二酸化炭素濃度の原料ガスの使用、同様な還流条件および原料ガスの切替条件等の下で、次のような効果を達成できる。
１）従来の二酸化炭素分離回収システムと同濃度の二酸化炭素を含む製品ガスを回収する場合には、回収率を向上することができる。
【００３５】
２）従来の二酸化炭素分離回収システムと同回収率で製品ガスを回収する場合には、製品ガス中の二酸化炭素の高濃度化することができる。
【００３６】
３）従来の二酸化炭素分離回収システムよりも回収率の向上および高濃度化を達成することができる。
【００３７】
また、二酸化炭素の大気への排出を低減して地球の温暖化防止に寄与できる。
【００３８】
（第２実施形態）
この第２実施形態に係る中間供給ＰＳＡ法を利用した二酸化炭素分離回収システムは、図３に示す原料ガスのガス導入配管を多段にし、かつ原料ガス管の吸着材充填領域に対応して温度制御手段を配置した以外、実質的に前述した図１および図２と同様な構造を有する。図４は、図３の要部拡大図である。なお、図３および図４において前述した図１、図２と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
第１吸・脱着塔１は、ガスの導入を円滑にするための複数、例えば９つのメッシュ部３ａ〜３ｉが高さ方向に亘って例えば等間隔でそれぞれ介装されている。これらメッシュ部３ａ〜３ｉの間、メッシュ部３ａの上部側、メッシュ部３ｉの下部側に位置する前記第１吸・脱着塔１には、吸着材が充填された１０の吸着材充填領域５１ａ〜５１ｊをそれぞれ形成している。前記吸着材は、いずれも同種のゼオライト系のものである。
複数のガスポート９ａ〜９ｉは、前記各メッシュ部３ａ〜３ｉに対応する前記第１吸・脱着塔１に取り付けられている。ガス導入配管１１から分岐した複数の第１ガス導入配管１２ａ〜１２ｉは、前記ガスポート９ａ〜９ｉにそれぞれ連結されている。これらの第１ガス導入配管１２ａ〜１２ｉには、バルブ１４ａ〜１４ｉがそれぞれ介装されている。
例えば水道水のような常温水および温水（例えば６０℃の温水）切替え可能に流通される１０本のチューブ５２ａ〜５２ｊは、図４に示すように前記第１吸・脱着塔１の前記吸着材充填領域５１ａ〜５１ｊにそれぞれ対応して配置されている。この図４においては、チューブ５２ｆ〜５２ｊは示されていないが、以下では便宜的にそれらのチューブがあるものとして説明する。
なお、第２吸・脱着塔は図示していないが、この第２吸・脱着塔においても前記第１吸・脱着塔１と同様な構造を有する。
このような吸・脱着塔（例えば第１吸・脱着塔１）に複数のメッシュ部３ａ〜３ｉで区画され、吸着材が充填された複数の吸着材充填領域５１ａ〜５１ｊをそれぞれ高さ方向に形成し、かつ前記メッシュ部３ａ〜３ｉと連通するガスポート９ａ〜９ｉに複数に分岐したガス導入配管（例えば第１ガス導入管１２ａ〜１２ｉ）を連結する構成にすることによって、ユーザの要求に応じて前述した精製領域および濃縮領域の容積を変更し、原料ガス中の二酸化炭素の分離回収操作を実行することができる。
【００３９】
すなわち、例えば大気中への二酸化炭素の放出を極力抑える操作を行う場合には、前記第１ガス導入管１２ａ〜１２ｉのうち、下部側のガス導入管（例えば１２ｇ）のバルブ１４ｇを選択的に開き、このガス導入管１２ｇより上方のチューブ５２ａ〜５２ｇに常温水を流通させ、それより下方のチューブ５２ｈ〜５２ｊに温水を流通させる。このような使用形態により、チューブ５２ａ〜５２ｇに対応する第１吸・脱着塔１の吸着材充填領域５１ａ〜５１ｇを精製領域、チューブ５２ｈ〜５２ｊに対応する第１吸・脱着塔１の吸着材充填領域５１ｈ〜５１ｊを濃縮領域、とすることができる。つまり、精製領域の容積を濃縮領域の容積に比べて実効的の増大できる。その結果、原料ガスを前記ガス導入管１２ｇを通して第１吸・脱着塔１に導入することによって、その原料ガス中の二酸化炭素を十分に吸着できるために、二酸化炭素量が極力低減されたキャリヤガスを前述した図１の配管２２から大気に放出することができる。
一方、製品ガスの二酸化炭素をより高濃度化する場合には、前記第１ガス導入管１２ａ〜１２ｉのうち、上部側のガス導入管（例えば１２ｃ）のバルブ１４ｃを選択的に開き、この第１ガス導入管１２ｃより上方のチューブ５２ａ〜５２ｃに常温水を流通させ、それより下方のチューブ５２ｄ〜５２ｊに温水を流通させる。このような使用形態により、チューブ５２ａ〜５２ｃに対応する第１吸・脱着塔１の吸着材充填領域５１ａ〜５１ｃを精製領域、チューブ５２ｄ〜５２ｊに対応する第１吸・脱着塔１の吸着材充填領域５１ｈ〜５１ｊを濃縮領域、とすることができる。つまり、濃縮領域の容積を精製領域の容積に比べて実効的の増大できる。その結果、例えば第２吸・脱着塔において脱着ステップで脱着された濃縮ガスを第１吸・脱着塔１に濃縮還流することによって、第１吸・脱着塔１においてより効率的に濃縮ガスを吸着できるために、二酸化炭素濃度がより高い製品ガスを前述した図１の配管３２から回収することができる。
なお、前述した第２実施形態においては第１吸・脱着塔１を例示して説明したが、第２吸・脱着塔２についても同様な操作がなされる。
【００４０】
したがって、第２実施形態に係る二酸化炭素分離回収システムによれば前述した第１実施形態の二酸化炭素分離回収システムと同様、常圧下における吸着ステップでの効率的な吸着、濃縮ガスの二酸化炭素の高濃度化、減圧下における脱着ステップでの効率的な脱着を連続的に行うことができるため、前述した１）〜３）の効果を達成でき、かつ二酸化炭素の大気への排出を低減して地球の温暖化防止に寄与できるる。
【００４１】
また、大気中への二酸化炭素の放出を極力抑える、製品ガスの二酸化炭素をより高濃度化するなどユーザの要求に応じて原料ガス中の二酸化炭素の分離回収操作を実行することができる。
【００４２】
（第３実施形態）
この第３実施形態に係る中間供給ＰＳＡ法を利用した二酸化炭素分離回収システムは、図５に示す原料ガスの二酸化炭素の濃度に応じて複数のガス導入配管のバルブの開放選択等を行う自動切替制御装置を追加した以外、実質的に前述した図１〜図４と同様な構造を有する。なお、図５において前述した図１〜図４と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
自動切替制御装置１０１は、処理回路１０２、タッチパネル１０３および温度管理回路１０４を備えている。
前記処理回路１０２は、ガス導入管１１に供給された原料ガス中の二酸化炭素濃度を測定する濃度計１０５に信号線１０６を通して接続されている。この処理回路１０２は、前記タッチパネル１０３に信号線１０７を通して接続されている。また、前記処理回路１０２は多芯信号線１０８およびそれからの単信号線１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ…を通して前記ガス導入管１１から分岐された複数の第１ガス導入配管１２ａ〜１２ｉのバルブ１４ａ〜１４ｉに接続されている。この図５においては、第１ガス導入配管１２ａ〜１２ｃ、１２ｆ〜１２ｉおよびバルブ１４ａ〜１２ｃ、１２ｆ〜１４は示されていないが、以下では便宜的にそれらの第１導入管およびバルブがあるものとして説明する。このような接続において、前記処理回路１０２には前記タッチパネル１０３から原料ガスの濃度に応じて前記バルブ１４ａ〜１４ｉのどれを選択するかを決める制御信号が予め入力される。この設定により前記濃度計１０５からの検出信号が前記処理回路１０２に出力されると、この処理回路１０２から前記バルブ１４ａ〜１４ｉのうちの１つを選択する信号が出力され、そのバルブが開放される。
【００４３】
また、前記処理回路１０２は前記温度管理回路１０４に信号線１０９を通して接続されている。この温度管理回路１０４は、多芯信号線１１０およびそれからの単信号線１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ…を通してメッシュ部３ａ〜３ｉで区画された第１吸・脱着塔１の吸着材充填領域５１ａ〜５１ｊに対応するチューブ５２ａ〜５２ｊへの常温水および温水（例えば５５℃の温水）の供給を切替えるための切替え部材（図示せず）に接続されている。この図５においては、メッシュ部３ａ〜３ｂ、３ｆ〜３ｉ、吸着材充填領域５１ａ〜５１ｃ、５１ｆ〜５１ｊおよびチューブ５２ａ〜５２ｃ、５２ｆ〜５２は示されていないが、以下では便宜的にそれらのメッシュ部、吸着材充填領域およびチューブがあるものとして説明する。このような接続において、前記処理回路１０２から前記濃度計１０５からの検出信号に基づく制御信号が前記温度管理回路１０４に出力されると、この温度管理回路１０４から前記各チューブ５２ａ〜５２ｊの切替部材（図示せず）に常温水または温水のいずれかに切替える信号が出力される。
【００４４】
さらに、前記処理回路１０２は多芯信号線１１１およびそれからの単信号線１１１ａ，１１１ｂを通して精製還流ニィードルバルブ２５および濃縮還流ニィードルバルブ３８に接続されている。このような接続において、前記処理回路１０２は前記タッチパネル１０４から製品ガスにおける二酸化炭素濃度および回収量に関する制御条件が予め入力され、この制御条件に基づいて前記精製還流ニィードルバルブ２５および濃縮還流ニィードルバルブ３８の開度を調節する信号が出力される。
なお、第２吸・脱着塔は図示していないが、この第２吸・脱着塔においても前記第１吸・脱着塔１と同様な構造を有し、かつ自動切替制御装置との接続がなされる。
このような第３実施形態に係る二酸化炭素分離回収システムにおいて、二酸化炭素を含む原料ガスをガス導入配管１１に供給すると、その原料ガス中の二酸化炭素の濃度が濃度計１０５で検出され、この検出信号は信号線１０６を通して制御盤１０１の処理回路１０２に出力される。処理回路１０２は、この検出信号の入力により第１ガス導入配管１２ａ〜１２ｉのバルブ１４ａ〜１４ｉのうちの１つ、例えばバルブ１４ｅを選択する信号が出力され、そのバルブ１４ｅを開放する。同時に、処理回路１０２から前記濃度計１０５からの検出信号に基づく制御信号が前記温度管理回路１０４に出力される。温度管理回路１０４は、この制御信号の入力により第１吸・脱着塔１の吸着材充填領域５１ａ〜５１ｊに対応するチューブ５２ａ〜５２ｊの切替部材（図示せず）に切替える信号が出力され、第１ガス導入管１２ｅより上方のチューブ５２ａ〜５２ｅに常温水を流通させ、それより下方のチューブ５２ｆ〜５２ｊに温水を流通させる。
このような使用形態により、チューブ５２ａ〜５２ｅに対応する第１吸・脱着塔１の吸着材充填領域５１ａ〜５１ｅを常温に保持された精製領域、チューブ５２ｆ〜５２ｊに対応する第１吸・脱着塔１の吸着材充填領域５１ｆ〜５１ｊを加温された濃縮領域、とすることができる。すなわち、原料ガス中の二酸化炭素の濃度に見合って精製領域および濃縮領域の容積を自動的に増減することができる。
具体的には、原料ガス中の二酸化炭素濃度が低い場合には第１ガス導入配管１２ａ〜１２ｉのバルブ１４ａ〜１４ｉのうち低位置のバルブを濃度計１０５からの検出信号により自動的に開放し、その第１導入管の上方のチューブに例えば水道水を流通してその第１導入配管の連結位置（メッシュ部）より上方の吸着材充填領域を精製領域としてその容積を実効的の増大させることによって、第１吸・脱着塔１において原料ガス中の低濃度の二酸化炭素を十分効率よく吸着することができる。
【００４５】
一方、原料ガス中の二酸化炭素濃度が高い場合には第１ガス導入配管１２ａ〜１２ｉのバルブ１４ａ〜１４ｉのうち高位置のバルブを濃度計１０５からの検出信号により自動的に開放し、その第１導入管の上方のチューブに例えば水道水を流通してその第１導入配管の連結位置（メッシュ部）より上方の吸着材充填領域を精製領域としてその容積を実効的に減少させ、濃縮領域の容積を実効的に増大させることによって、第１吸・脱着塔１において原料ガス中の高濃度の二酸化炭素を十分効率よく吸着することができ、同時に濃縮領域の容積増により濃縮ガスの二酸化炭素の高濃度化が図られ、より高濃度の製品ガスを回収できる。
また、前記処理回路１０２から精製還流ニィードルバルブ２５および濃縮還流ニィードルバルブ３８に制御信号を出力し、それらの開度を調節することによって、回収される製品ガスの二酸化炭素濃度および回収量を制御することができる。
したがって、第３実施形態によれば前述した第１実施形態の二酸化炭素分離回収システムと同様、常圧下における吸着ステップでの効率的な吸着、濃縮ガスの二酸化炭素の高濃度化、減圧下における脱着ステップでの効率的な脱着を連続的に行うことができるため、前述した第１実施形態の二酸化炭素分離回収システムと同様、常圧下における吸着ステップでの効率的な吸着、濃縮ガスの二酸化炭素の高濃度化、減圧下における脱着ステップでの効率的な脱着を連続的に行うことができるため、前述した１）〜３）の効果を達成でき、かつ二酸化炭素の大気への排出を低減して地球の温暖化防止に寄与できる。
【００４６】
また、原料ガス中の二酸化炭素の濃度に見合って精製領域および濃縮領域の容積を自動的に増減することができるために、原料ガス中の二酸化炭素の濃度に依存せずに前述した１）〜３）の効果を達成できる。
【００４７】
なお、前述した第１〜第３の実施形態においては吸着ステップと脱着ステップの間で圧力差を付与するために、吸着ステップがなされる吸・脱着塔にガス導入管から常圧の原料ガスを供給し、脱着ステップがなされる吸・脱着塔内を真空ポンプで排気して減圧にしたが、このような形態に限定されない。例えば、吸着ステップがなされる吸・脱着塔にガス導入管から加圧された原料ガスを供給し、脱着ステップがなされる吸・脱着塔内を常圧にして吸着ステップと脱着ステップの間で圧力差を付与してもよい。
また、前述した第２、第３の実施形態においては吸・脱着塔の複数の吸着材充填領域に対応して配置した温度制御手段として常温水または温水が流通されるチューブを用いたが、例えば複数の吸着材充填領域に対応して第１温度管理部材である常温水が流通されるチューブと第２温度管理部材であるヒータを並置して温度制御手段を構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る中間供給ＰＳＡ法を利用した二酸化炭素分離回収システム（第１吸・脱着塔による吸着ステップ，第２吸・脱着塔による脱着ステップ時の各バルブの開閉状態を併記）を示す概略図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る中間供給ＰＳＡ法を利用した二酸化炭素分離回収システム（第１吸・脱着塔による脱着ステップ，第２吸・脱着塔による吸着ステップ時の各バルブの開閉状態を併記）を示す概略図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る二酸化炭素分離回収システムの第１吸・脱着塔部分を示す概略図。
【図４】図３の要部を拡大し、かつ詳述した概略図。
【図５】本発明の第３実施形態に係る中間供給ＰＳＡ法を利用した二酸化炭素分離回収システムの要部を示す概略図。
【符号の説明】
【００４９】
１…第１吸・脱着塔、２…第２吸・脱着塔、５，６…精製領域、７，８…濃縮領域、１１…ガス導入配管、１２、１２ａ〜１２ｉ…第１ガス導入配管、１３…第２ガス導入配管、１４，１４ａ〜１４ｉ、１５…バルブ、２５…精製還流ニィードルバルブ、３３…真空ポンプ、３５…加圧ポンプ、３８…濃縮還流ニィードルバルブ、３９，４０、５２ａ〜５２Ｉ…チューブ、４１，４２…リボン状ヒータ、５１ａ〜５１ｉ…吸着材充填領域、１０１…自動切替制御装置、１０２…処理回路、１０３…タッチパネル、１０４…温度管理回路。
【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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