JP7777167B2 - 二酸化炭素回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、二酸化炭素回収装置に関する。

従来、気体から所定の成分を抽出する技術が知られている。この種の技術が記載されるものとして例えば特許文献１や特許文献２がある。特許文献１は、気体から炭化水素を回収する技術に関するものである。特許文献２は、凝縮性ガスと不凝縮性ガスからなる混合ガスから凝縮性ガスと不凝縮性ガスを分離し、凝縮性ガスを回収する技術に関するものである。

特開平９－９５６７９号公報 特開２０００－２８８３３１号公報

ところで、吸着材を保持するリアクターに対し、二酸化炭素を含む空気等の気体を吸引して吸着材に吸着させ、吸着材に吸着した二酸化炭素を脱離して二酸化炭素の回収を行う二酸化炭素回収装置では、脱離工程で真空ポンプによる減圧が行われる。空気等においては水分が含まれることが一般的であり、二酸化炭素と同時に水を吸着する吸着材を使用する場合においては、この脱離工程では、二酸化炭素だけではなく水も吸着材から脱離する。水は真空ポンプ通過後に復圧され、液体となって回収される。脱離工程の過程で液体となった水が二酸化炭素に混合すれば、最終的に回収される二酸化炭素の純度が低下するおそれがある。

本発明は、吸着材から脱離した二酸化炭素を高効率に回収できる二酸化炭素回収装置を提供することを目的とする。

（１）本発明は、吸着材（例えば、後述する吸着材１２）を内部に有し、前記吸着材に対して二酸化炭素を含む気体を吸引して前記二酸化炭素を吸着させる吸着工程と、前記吸着材の周囲を減圧した状態で加熱することにより当該吸着材から前記二酸化炭素を脱離する脱離工程と、を実行するリアクター（例えば、後述するリアクター１１）と、前記脱離工程で脱離した前記二酸化炭素を回収するために前記リアクターの内部に吸引力を作用させる二酸化炭素回収用ポンプ（例えば、後述する二酸化炭素回収用ポンプ６３）と、前記二酸化炭素回収用ポンプの後段に配置され、前記二酸化炭素回収用ポンプによって吸引された前記二酸化炭素と水蒸気を含むガスを冷却して気液分離する冷却機（例えば、後述する熱交換器６４）と、前記冷却機を通過した気液分離後の前記二酸化炭素の少なくとも一部をバラストガスとして前記二酸化炭素回収用ポンプの内部に戻すバラスト配管（例えば、後述するバラスト配管１７０）と、を備える、二酸化炭素回収装置（例えば、後述する二酸化炭素回収装置１）である。

（２）上記（１）に記載の二酸化炭素回収装置において、前記二酸化炭素回収用ポンプは、前記リアクターから吸引した前記ガスを大気圧に戻す圧縮工程を実行する圧縮室（例えば、後述する圧縮室１５１）を有し、前記バラスト配管は、前記二酸化炭素回収用ポンプの内部において前記圧縮室又は前記圧縮室の後段に接続されてもよい。

（３）上記（１）又は（２）に記載の二酸化炭素回収装置において、前記冷却機の前記ガスが通過する流路（例えば、後述する流路１６０）は、入口（例えば、後述する入口１６０ａ）よりも出口（例えば、後述する出口１６０ｂ）が下に位置するように傾斜してもよい。

（４）上記（１）又は（２）に記載の二酸化炭素回収装置において、前記リアクターに供給される加熱用熱媒体を加熱するとともに前記リアクターに供給される冷却用熱媒体を冷却するヒートポンプ式の熱源器（例えば、後述する熱源器８１）を更に備え、前記冷却機を冷却する熱媒体は、前記冷却用熱媒体又は前記加熱用熱媒体であってもよい。

本発明によれば、吸着材から脱離した二酸化炭素を高効率に回収できる二酸化炭素回収装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る二酸化炭素回収装置の気体の流れに関する構成を示す模式図である。 本実施形態の二酸化炭素回収装置の液体の流れに関する構成を示す模式図である。 本実施形態の二酸化炭素回収装置のリアクターの気体の流れに関する構成を示す模式図である。 本実施形態の二酸化炭素回収装置のリアクターの液体の流れに関する構成を示す模式図である。 本実施形態の二酸化炭素回収装置の熱源回路の構成を示す模式図である。 本実施形態の二酸化炭素回収装置の二酸化炭素濃度が高いバラストガスを二酸化炭素回収用ポンプの内部に導入するための構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

＜全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る二酸化炭素回収装置１の気体の流れに関する構成を示す模式図である。図２は、本実施形態の二酸化炭素回収装置１の液体の流れに関する構成を示す模式図である。なお、図１において二酸化炭素回収装置１の液体の流れに関する構成の図示は省略されており、図２において二酸化炭素回収装置１の気体の流れに関する構成の図示は省略されている。

本実施形態の二酸化炭素回収装置１は、例えば、大気中の二酸化炭素濃度を低下させるために、大気中の二酸化炭素を回収する直接空気回収技術（ＤＡＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ａｉｒ Ｃａｐｔｕｒｅ）に適用されるものである。二酸化炭素回収装置１によって回収された二酸化炭素は、地中に貯蔵されたり、燃料や材料として再利用されたりする。

図１及び図２に示すように、本実施形態の二酸化炭素回収装置１は、リアクターユニット１０と、ファン６１と、真空ポンプ６２と、二酸化炭素回収用ポンプ６３と、熱交換器６４と、セパレータ６５と、二酸化炭素タンク６６と、不活性ガスタンク６９と、熱交換装置７０と、制御装置９０と、を備える。

図１に示すように、二酸化炭素回収装置１は、吸着ライン１０１と、真空ライン１０２と、二酸化炭素ライン１０３と、循環ライン１０４と、不活性ガス供給ライン１０７と、を気体流路として備える。

リアクターユニット１０は、二酸化炭素を吸着するリアクター１１が並列に複数配置されて構成される。本実施形態では、左右一対のリアクターユニット１０により、合計１６個のリアクター１１が配置される。

図３は、本実施形態の二酸化炭素回収装置１のリアクター１１の気体の流れに関する構成を示す模式図である。リアクター１１は、吸着材１２と、第１バルブ２１と、第２バルブ２２と、第３バルブ２３と、第４バルブ２４と、圧力センサ２５と、二酸化炭素センサ２６と、温度センサ２７と、を備える二酸化炭素回収リアクターである。

吸着材１２は、二酸化炭素を吸着するためにリアクター１１の内部に配置される。吸着材１２は、粒子状の部材であり、低温（例えば、－３０℃から５０℃の範囲）の状態において二酸化炭素を吸着し、高温（例えば、５０℃から１１０℃の範囲）かつ周囲の二酸化炭素の濃度の低い状態では、二酸化炭素を脱離（放出）する性質を有する。このような吸着材１２としては、例えば、シリカ等の多孔質材料にアミンを担持させて構成される固体アミンの二酸化炭素吸着材等が挙げられる。

第１バルブ２１は、二酸化炭素を回収する二酸化炭素ライン１０３とリアクター１１の接続部に配置される開閉弁である。二酸化炭素ライン１０３には二酸化炭素回収用ポンプ６３が配置される。第２バルブ２２は、真空ポンプ６２が配置される真空ライン１０２とリアクター１１の接続部に配置される開閉弁である。第３バルブ２３は、リアクター１１の内部へ大気等を取り込む入口に配置される開閉弁である。第４バルブ２４は、吸着ライン１０１とリアクター１１の接続部に配置される開閉弁である。

第１バルブ２１、第２バルブ２２、第３バルブ２３及び第４バルブ２４は、何れも、制御装置９０によって開閉制御される。第１バルブ２１、第２バルブ２２、第３バルブ２３及び第４バルブ２４は、例えば、ノーマルオープンのバタフライ弁によって構成される。

圧力センサ２５は、リアクター１１の内部圧力を計測する。二酸化炭素センサ２６は、リアクター１１の内部の二酸化炭素濃度を測定する。温度センサ２７は、吸着材１２の温度を測定する。圧力センサ２５、二酸化炭素センサ２６及び温度センサ２７の計測情報は、制御装置９０に送信される。

図１に戻って吸着ライン１０１及びファン６１について説明する。吸着ライン１０１は、各リアクター１１のそれぞれに分岐接続される。ファン６１は、吸着ライン１０１の分岐部分が集合した部分に配置される。ファン６１は、駆動されることにより、吸着ライン１０１を通じてリアクター１１に対して「吸気」から「排気」までの気体の流れを生じさせる。これにより、リアクター１１内に大気が供給される。吸着ライン１０１の気体を排気する部分には、二酸化炭素濃度センサ６１１、湿度センサ６１２及び温度センサ６１３が配置され、吸着ライン１０１から排気される二酸化炭素、湿度、温度が計測される。二酸化炭素濃度センサ６１１、湿度センサ６１２及び温度センサ６１３の計測情報は制御装置９０に送信される。

真空ライン１０２は、各リアクター１１のそれぞれに分岐接続される。真空ポンプ６２は、真空ライン１０２の分岐部分が集合した部分に配置される。真空ポンプ６２は、駆動されることにより、真空ライン１０２を通じてリアクター１１の内部の気体を吸気し、リアクター１１の内部を真空状態又は真空状態に近づける。

二酸化炭素ライン１０３は、各リアクター１１のそれぞれに分岐接続される。二酸化炭素ライン１０３の分岐部分が集合した部分には、二酸化炭素回収用ポンプ６３、熱交換器６４、セパレータ６５、二酸化炭素タンク６６が配置される。

二酸化炭素回収用ポンプ６３は、二酸化炭素ライン１０３を流通する二酸化炭素を二酸化炭素タンク６６に送る吸引力を作用させる。二酸化炭素ライン１０３における二酸化炭素回収用ポンプ６３の上流側には一方向バルブ６３１が配置される。これによって熱交換器６４側からリアクター１１側に気体が逆流しない構成となっている。

熱交換器６４は、リアクター１１から回収された二酸化炭素を含む高温ガスを冷却し気液分離する中間冷却機である。

熱交換器６４で気液分離された水はセパレータ６５で回収される。セパレータ６５には、第１バルブ６５１と第２バルブ６５２が配置される。第１バルブ６５１は、セパレータ６５の気相部に連通する経路を開閉する。第２バルブ６５２は、セパレータ６５の液相部に連通する経路を開閉する。

また、本実施形態では、熱交換器６４で気液分離された後の二酸化炭素の濃度が高いガスを二酸化炭素回収用ポンプ６３にバラストガスとして導入するためのバラスト配管１７０が二酸化炭素ライン１０３の経路途中に接続される。なお、バラストガスを二酸化炭素回収用ポンプ６３に導入するための構成の詳細は、図６を参照して後述する。

二酸化炭素タンク６６は、二酸化炭素ライン１０３を通じて回収された二酸化炭素を貯蔵する。二酸化炭素ライン１０３における二酸化炭素タンク６６の上流側には、タンクバルブ６６１が配置される。タンクバルブ６６１は、制御装置９０によって開閉制御される。また、二酸化炭素ライン１０３におけるタンクバルブ６６１と二酸化炭素タンク６６の間には、圧力センサ６６２、流量センサ６６３、湿度センサ６６４、温度センサ６６５、二酸化炭素濃度センサ６６６等の各種センサが配置される。また、二酸化炭素タンク６６には、所定の圧力以上になると圧力を開放する圧力開放弁６６８が配置される。

次に、不活性ガスタンク６９について説明する。不活性ガスタンク６９は、Ｎ_２ガスボンベ６９１から供給される不活性ガスとしてのＮ_２を一定の圧力以上（例えば、９８０ｋＰａ）で貯蔵する。不活性ガスタンク６９とＮ_２ガスボンベ６９１の間には、ガスボンベ用バルブ６９２が配置される。また、不活性ガスタンク６９には所定の圧力以上になると圧力を開放する圧力開放弁６９３が配置される。不活性ガスタンク６９の内部には、圧力センサ６９４が配置される。圧力センサ６９４によって計測された圧力情報は、制御装置９０に送信される。

不活性ガスタンク６９は、不活性ガス供給ライン１０７を介して二酸化炭素ライン１０３に接続される。不活性ガス供給ライン１０７には、不活性ガス用バルブ６９５が配置される。不活性ガス用バルブ６９５は、制御装置９０によって開閉制御される。

図２を参照し、熱交換装置７０について説明する。熱交換装置７０は、リアクターユニット１０の各リアクター１１が脱離工程を行う際に、そのリアクター１１内を所定の温度まで加熱するための熱エネルギーを供給する。また、熱交換装置７０は、各リアクター１１が吸着工程を行う際に不要な熱エネルギーを回収する。

本実施形態の熱交換装置７０は、熱源回路８０と、冷水ライン１１１と、温水ライン１１２と、三方弁３０と、バイパス経路３１と、バイパス弁３２と、を備える。

熱源回路８０は、熱源器８１と、冷水タンク８２と、温水タンク８３と、を主要な構成として備え、冷水ライン１１１を流れる冷却用熱媒体と温水ライン１１２を流れる加熱用熱媒体の間で熱交換を行う。熱源回路８０で生じる熱移動により、冷水ライン１１１を流れる熱媒体が冷却されるとともに、温水ライン１１２を流れる熱媒体が加温される。熱媒体は、例えば、水等の液体である。なお、熱源回路８０の詳細な構成については、図５を参照して後述する。

冷水ライン１１１は、冷却用熱媒体としての冷水が流通する配管である。冷水ライン１１１は、各リアクター１１のそれぞれの上流側と下流側に分岐接続され、冷水タンク８２と各リアクター１１を接続する。冷水ライン１１１のうち、各リアクター１１の上流側に接続されるラインを冷水往ライン１１１ａとし、各リアクター１１の下流側に接続されるラインを冷水復ライン１１１ｂとする。

冷水往ライン１１１ａは、複数のリアクター１１に並列接続されており、冷水の供給もリアクター１１ごとに並行して行うことができる。冷水往ライン１１１ａには、第１冷水循環用ウォータポンプ８２２と、第２冷水循環用ウォータポンプ８２３と、が配置される。第１冷水循環用ウォータポンプ８２２及び第２冷水循環用ウォータポンプ８２３は、例えば、カスケードポンプが利用される。

また、冷水往ライン１１１ａには、第２冷水循環用ウォータポンプ８２３の下流側から上流側に戻る循環ライン８２４が配置される。この循環ライン８２４には安全弁８２５が配置される。安全弁８２５は、第２冷水循環用ウォータポンプ８２３と冷水ライン１１１の系内が一定圧力以上になるとリリーフして圧力上昇を抑制する。冷水ライン１１１系内の圧力異常の際にリリーフする安全弁８２５を第２冷水循環用ウォータポンプ８２３に対して並列配置することにより、第２冷水循環用ウォータポンプ８２３による大流量の循環と安全な運転を両立できる。

冷水復ライン１１１ｂも複数のリアクター１１に並列接続されており、冷却完了後の冷水の回収もリアクター１１ごとに並行して行うことができる。

温水ライン１１２は、加熱用熱媒体としての温水が流通する配管である。温水ライン１１２は、各リアクター１１のそれぞれの上流側と下流側に分岐接続され、温水タンク８３と各リアクター１１を接続する。温水ライン１１２のうち、各リアクター１１の上流側に接続されるラインを温水往ライン１１２ａとし、各リアクター１１の下流側に接続されるラインを温水復ライン１１２ｂとする。

温水往ライン１１２ａは、複数のリアクター１１に並列接続されており、温水の供給もリアクター１１ごとに並行して行うことができる。温水往ライン１１２ａには、第１温水循環用ウォータポンプ８３２と、第２温水循環用ウォータポンプ８３３と、が配置される。第１温水循環用ウォータポンプ８３２及び第２温水循環用ウォータポンプ８３３は、例えば、カスケードポンプが利用される。駆動により発生する発熱量が大きいカスケードポンプを利用することにより、第１温水循環用ウォータポンプ８３２及び第２温水循環用ウォータポンプ８３３を通過する熱媒体を更に加温することもできる。

また、温水往ライン１１２ａには、第２温水循環用ウォータポンプ８３３の下流側から上流側に戻る循環ライン８３４が配置される。この循環ライン８３４には安全弁８３５が配置される。安全弁８３５は、第２温水循環用ウォータポンプ８３３と温水ライン１１２の系内が一定圧力以上になるとリリーフして圧力上昇を抑制する。温水ライン１１２系内の圧力異常の際にリリーフする安全弁８３５を第２温水循環用ウォータポンプ８３３に対して並列配置することにより、第２温水循環用ウォータポンプ８３３による大流量の循環と安全な運転を両立できる。

温水復ライン１１２ｂも、複数のリアクター１１に並列接続されており、加熱完了後の温水の回収もリアクター１１ごとに並行して行うことができる。

三方弁３０は、冷水ライン１１１と温水ライン１１２とリアクター１１に接続される。三方弁３０は、リアクター１１の上流側と下流側のそれぞれに配置される。三方弁３０は、冷水ライン１１１とリアクター１１を接続する冷水接続状態と、温水ライン１１２とリアクター１１を接続する温水接続状態と、冷水ライン１１１及び温水ライン１１２とリアクター１１の接続を遮断する遮断状態と、を流路切替により選択可能に構成される。

三方弁３０の流路切替は、制御装置９０によって制御される。リアクター１１には、上流側に配置される三方弁３０を通じて熱媒体が導入され、下流側に配置される三方弁３０を通じて熱媒体が熱源器８１側に戻される。

バイパス経路３１は、リアクター１１間の熱媒体の移動を可能にする流路である。バイパス経路３１は、２つのリアクター１１間を接続する。バイパス経路３１によって接続されるリアクター１１は、隣接するリアクターであってもよいし、隣接せず離れた位置のリアクター１１であってもよい。

バイパス弁３２はバイパス経路３１に配置される。バイパス弁３２は、複数のバイパス経路３１のそれぞれに配置される。バイパス弁３２は制御装置９０によって開閉制御される。

図４は、本実施形態の二酸化炭素回収装置１のリアクター１１の液体の流れに関する構成を示す模式図である。なお、以下の説明において、リアクター１１の上流側に配置される三方弁３０を三方弁３０ａとし、リアクター１１の下流側に配置される三方弁３０を三方弁３０ｂとする。

図４に示すように、リアクター１１は、熱媒体が流入する入口に接続される入口側流路３３と、熱媒体が流出する出口に接続される出口側流路３４と、を備える。バイパス経路３１は、リアクター１１の出口側流路３４に接続されるとともに、別のリアクター１１の入口側流路３３に接続される。

入口側流路３３の上流側端部には三方弁３０ａが配置されるとともに、出口側流路３４の下流側端部にも三方弁３０ｂが配置される。温水接続状態では三方弁３０ａが温水往ライン１１２ａに接続され、三方弁３０ｂが温水復ライン１１２ｂに接続される。冷水接続状態では三方弁３０ａが冷水往ライン１１１ａに接続され、三方弁３０ｂが冷水復ライン１１１ｂに接続される。

三方弁３０ａ及び三方弁３０ｂは、流量を調節可能に構成されている。この流量調節機能により、温水接続状態では温水の流量を調整できるとともに、冷水接続状態では冷水の流量を調整できる。

入口側流路３３には温度センサ３５が配置される。出口側流路３４には温度センサ３６と流量センサ３７が配置される。温度センサ３５、温度センサ３６及び流量センサ３７の測定情報は、制御装置９０に送信される。

次に、制御装置９０について説明する。制御装置９０は、二酸化炭素回収装置１の各部の動作を制御する。制御装置９０は、二酸化炭素の吸着や脱離に用いられるデバイスの駆動や停止等の動作を制御する。制御装置９０は、複数のリアクター１１が時系列で吸着と脱離を繰り返すために、各リアクター１１への温冷熱を行うために熱媒体を供給するタイミングを選択的に制御する。

制御装置９０は、各リアクター１１に備えられた第１バルブ２１、第２バルブ２２、第３バルブ２３、第４バルブ２４の開閉制御や、各バイパス弁３２の開閉制御を行う。また、制御装置９０は、ファン６１、真空ポンプ６２、二酸化炭素回収用ポンプ６３、第１冷水循環用ウォータポンプ８２２、第２冷水循環用ウォータポンプ８２３、第１温水循環用ウォータポンプ８３２、第２温水循環用ウォータポンプ８３３等の駆動制御や安全弁８２５、安全弁８３５の開閉制御を行う。

制御装置９０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等を有するコンピュータである。制御装置９０は、１台で構成されてもよいし、複数台で構成されてもよい。また、制御装置９０は、リレー等の電気回路を利用して構成されてもよい。

＜二酸化炭素の回収＞
次に、制御装置９０による二酸化炭素を回収するための制御について説明する。二酸化炭素回収装置１は、リアクター１１内の吸着材１２に、吸気した大気等の気体中の二酸化炭素を吸着させる吸着工程と、吸着材１２に吸着された二酸化炭素を脱離させる脱離工程とを交互に行い、脱離した二酸化炭素を二酸化炭素タンク６６に貯めることで、空気中から二酸化炭素を除去し、回収している。

吸着工程は、リアクター１１内の吸着材１２に二酸化炭素を吸着させる工程である。吸着工程では、リアクター１１の第３バルブ２３及び第４バルブ２４が開かれ、第１バルブ２１及び第２バルブ２２が閉じられる。バルブの開閉制御とともに熱交換装置７０により、三方弁３０ａ及び三方弁３０ｂが冷水接続状態に制御され、冷水がリアクター１１内を流れてリアクター１１の吸着材１２を冷却する。ファン６１が駆動し、上流から下流への気体の流れが発生し、第３バルブ２３を通して二酸化炭素を含む気体（例えば、大気）を吸気する。吸気された気体は、リアクター１１内の吸着材１２を通過する。このとき、リアクター１１内は冷水の冷却により常温（２５℃）となっており、気体中の二酸化炭素は、吸着材１２に吸着される。二酸化酸素以外の気体、例えば、窒素や酸素等は、第４バルブ２４及び吸着ライン１０１を通って二酸化炭素回収装置１の外部へ排気される。

脱離工程は、リアクター１１内の吸着材１２の二酸化炭素を脱離させる工程である。脱離工程では、リアクター１１の第１バルブ２１、第３バルブ２３及び第４バルブ２４が閉じられ、第２バルブ２２が開かれる。真空ポンプ６２が稼働し、リアクター１１の内部を吸気し、減圧して真空状態又は真空状態に近づける。バルブの開閉制御とともに熱交換装置７０により、三方弁３０ａ及び三方弁３０ｂが温水接続状態に制御され、温水がリアクター１１内を流れて熱エネルギーを供給し、リアクター１１の吸着材１２を昇温する。吸着材１２の昇温制御により、吸着材１２も脱離工程に十分な所定の温度（例えば、８０℃）に加熱され、吸着材１２に吸着された二酸化炭素が脱離される。次に、第２バルブ２２、第３バルブ２３及び第４バルブ２４が閉じられ、第１バルブ２１が開かれるとともに二酸化炭素回収用ポンプ６３が駆動され、二酸化炭素ライン１０３を通じて脱離した二酸化炭素が二酸化炭素タンク６６に貯蔵される。本実施形態では、１６個のリアクター１１のうち、１２個が吸着工程を実行し、残りの４個が脱離工程を行うように各工程が制御される。

＜熱源回路＞
次に、図５を参照して熱源回路８０の詳細な構成について説明する。図５は、本実施形態の二酸化炭素回収装置１の熱源回路８０の構成を示す模式図である。

図５に示すように、本実施形態の熱源回路８０は、熱源器８１と、温水タンク８３を含む熱源高温水回路８５と、冷水タンク８２を含む熱源低温水回路８６と、機器熱回収回路８７と、を備える。

熱源器８１は、冷水タンク８２から導入される熱媒体を冷却するとともに温水タンク８３から導入される熱媒体を加温する。熱源器８１は、気体の圧縮と膨張を利用して熱移動を行うヒートポンプによって構成される。

熱源高温水回路８５は、温水タンク８３と熱源器８１の間で温水を循環させる。熱源高温水回路８５は、温水タンク８３と、温水側熱源往ライン２２１と、温水側熱源復ライン２２２と、を備える。

温水タンク８３は、断熱機能を有し、熱媒体を貯留可能な蓄熱装置である。温水タンク８３の容量は、後述する温水側循環用ウォータポンプ８３１の吐出する最大流量の５倍以上とすることが好ましい。温水タンク８３の容量を熱媒体の流量に対して大きく設定することにより、熱負荷変動時の温水（熱媒体）の水温変動を所定温度範囲内（例えば、±５℃以内）に抑制することが可能となる。即ち、温水タンク８３は、熱負荷変動のバッファとして機能する。

温水タンク８３は、温水側熱源往ライン２２１及び温水側熱源復ライン２２２を介して熱源器８１に接続される。また、温水タンク８３には、温水往ライン１１２ａ及び温水復ライン１１２ｂが接続される。

温水側熱源往ライン２２１は、熱媒体が温水タンク８３から熱源器８１に流れる経路である。温水側熱源往ライン２２１には、温水側循環用ウォータポンプ８３１が配置される。温水側循環用ウォータポンプ８３１は、例えば、遠心ポンプ等により構成され、温水タンク８３と熱源器８１の間で熱媒体を循環させる。温水側熱源復ライン２２２は、熱媒体が熱源器８１から温水タンク８３に流れる経路である。

次に、熱源低温水回路８６について説明する。熱源低温水回路８６は、冷水タンク８２と熱源器８１の間で冷水を循環させる。熱源低温水回路８６は、冷水タンク８２と、冷水側熱源往ライン１２１と、冷水側熱源復ライン１２２と、機器熱回収回路８７と、を備える。

冷水タンク８２は、断熱機能を有し、熱媒体を貯留可能な蓄熱装置である。冷水タンク８２の容量は、後述する冷水側循環用ウォータポンプ８２１の吐出する最大流量の５倍以上とすることが好ましい。冷水タンク８２の容量を熱媒体の流量に対して大きく設定することにより、熱負荷変動時の冷水（熱媒体）の水温変動を所定温度範囲内（例えば、±５℃以内）に抑制することが可能となる。即ち、冷水タンク８２は、熱負荷変動のバッファとして機能する。

冷水タンク８２は、冷水側熱源往ライン１２１及び冷水側熱源復ライン１２２を介して熱源器８１に接続される。また、冷水タンク８２には、冷水往ライン１１１ａ及び冷水復ライン１１１ｂが接続される。

冷水側熱源往ライン１２１は、熱媒体が冷水タンク８２から熱源器８１に流れる経路である。冷水側熱源往ライン１２１には、冷水側循環用ウォータポンプ８２１が配置される。冷水側循環用ウォータポンプ８２１は、例えば、遠心ポンプ等により構成され、冷水タンク８２と熱源器８１の間で熱媒体を循環させる。冷水側熱源復ライン１２２は、熱媒体が熱源器８１から冷水タンク８２に流れる経路である。

次に、機器熱回収回路８７について説明する。機器熱回収回路８７は、二酸化炭素回収用ポンプ６３及び熱交換器６４等の対象機器を冷却するとともに熱媒体の温度を高める。機器熱回収回路８７は、熱源低温水回路８６に対して並列に接続される。

本実施形態の機器熱回収回路８７は、上流側の端部が冷水側熱源復ライン１２２に接続されるとともに、下流側の端部が冷水側熱源往ライン１２１に接続される機器熱冷却ライン１２６を有する。機器熱冷却ライン１２６は、二酸化炭素回収用ポンプ６３を冷却する第１分岐ライン１２６ａと熱交換器６４を冷却する第２分岐ライン１２６ｂと、を有する。

第１分岐ライン１２６ａは、二酸化炭素回収用ポンプ６３に接続され、熱媒体としての冷水により二酸化炭素回収用ポンプ６３を冷却する。冷水は二酸化炭素回収用ポンプ６３との熱交換により加温された状態で第２分岐ライン１２６ｂに合流し、冷水側熱源往ライン１２１に送られる。

第２分岐ライン１２６ｂは、水蒸気凝縮熱を発生させる熱交換器６４に接続され、熱媒体としての冷水により熱交換器６４を冷却して水蒸気凝縮熱を排熱回収する。冷水は熱交換器６４との熱交換により加温された状態で第１分岐ライン１２６ａに合流し、冷水側熱源往ライン１２１に送られる。

以上説明したように、機器熱回収回路８７は、真空ポンプ６２及び二酸化炭素回収用ポンプ６３の排熱を熱媒体に回収して対象機器の冷却を行うとともに、熱回収により高い温度ポテンシャルで熱媒体を熱源器８１に流入させることが可能となる。冷水の温度が所定温度以上に昇温されることにより、熱源器８１に流入する温水の温度と冷水の温度差が小さくなり、ＣＯＰを上昇させることができる。

＜二酸化炭素回収用ポンプへのバラストガス導入＞
次に、図６を参照し、本実施形態の二酸化炭素回収用ポンプ６３、熱交換器６４及びセパレータ６５の接続構造について説明する。図６は、本実施形態の二酸化炭素回収装置１の二酸化炭素濃度が高いバラストガスを二酸化炭素回収用ポンプ６３の内部に導入するための構成を示す模式図である。

図６に示す二酸化炭素回収用ポンプ６３は、二酸化炭素及び過熱水蒸気を含む高温ガスを圧縮して大気圧に戻す真空ポンプである。

本実施形態の二酸化炭素回収用ポンプ６３は、スクリュー１５２の回転によって高温ガスを圧縮する圧縮工程を実行する圧縮室１５１と、スクリュー１５２を軸支するベアリング１５３と、ベアリング１５３を挟んで圧縮室１５１の反対側に配置されるギアボックス１５４と、を備える。

リアクター１１の吸着材１２から脱離した二酸化炭素及び過熱水蒸気を含む高温ガスは、二酸化炭素ライン１０３を通じて二酸化炭素回収用ポンプ６３の圧縮室１５１に流入し、圧縮室１５１で圧縮されて大気圧に戻り、排出口１５５から熱交換器６４に送出される。

熱交換器６４は、二酸化炭素回収用ポンプ６３の排出口１５５に接続される。熱交換器６４の内部には、二酸化炭素回収用ポンプ６３から送出される二酸化炭素及び過熱水蒸気を含む高温ガスが流通する流路１６０が形成される。流路１６０は、入口１６０ａ側が高く、出口１６０ｂ側が低くなるように傾斜している。熱交換器６４の流路１６０の出口１６０ｂには、配管１６１が接続される。

熱交換器６４には、高温ガスを冷却する冷却用熱媒体として冷水が導入される。熱交換器６４に導入された冷水は、流路１６０の外側を流通して当該流路１６０の内部を流通する高温ガスと熱交換を行う。冷水と高温ガスの間で熱交換が行われることにより、高温ガスに含まれる過熱水蒸気が過冷却液となる。一方、熱交換の相手方となった冷水は昇温される。上述したように、冷水は、機器熱回収回路８７を流通する冷却用熱媒体であり、高温ガスの冷却により得た熱エネルギーは、熱源器８１に流入する冷水の温度を上昇させるために利用される。

配管１６１は、上流側の端部が熱交換器６４の流路１６０の出口１６０ｂに接続されるとともに下流側ではセパレータ６５側と二酸化炭素タンク６６側に分岐する。以下の説明において、配管１６１のうち、セパレータ６５側に接続される配管をセパレータ側配管１６１ａとし、二酸化炭素タンク６６側に接続される二酸化炭素側配管１６１ｂとして説明する。

セパレータ側配管１６１ａは、熱交換器６４の流路１６０の出口１６０ｂよりも下方に位置するセパレータ６５に接続される。セパレータ６５は、熱交換器６４で冷却されて過熱水蒸気から液体となった水を貯留するキャッチタンクである。

二酸化炭素側配管１６１ｂは、二酸化炭素タンク６６に接続される。二酸化炭素側配管１６１ｂの内部には、熱交換器６４で気液分離されて水分が除去された二酸化炭素を主成分とするガスが流通する。本実施形態の二酸化炭素側配管１６１ｂには、熱交換器６４の上流側に接続されるバラスト配管１７０が接続される。

バラスト配管１７０は、二酸化炭素側配管１６１ｂを流通する二酸化炭素濃度が高いガスをバラストガスとして熱交換器６４の上流側に位置する二酸化炭素回収用ポンプ６３の内部に送るためのバラストガス用流路である。このバラスト配管１７０には、バラストガスを二酸化炭素側配管１６１ｂから二酸化炭素回収用ポンプ６３の内部に圧送するためのコンプレッサ１７１が配置される。コンプレッサ１７１は、例えば、制御装置９０に接続され、制御装置９０からの信号に基づいて駆動する。なお、コンプレッサ１７１は、自身が有する起動スイッチにより起動する機能を有してもよい。

バラスト配管１７０の上流側の端部は、二酸化炭素側配管１６１ｂにおける二酸化炭素タンク６６に到達する前の経路途中に接続される。バラスト配管１７０の下流側の端部は、二酸化炭素回収用ポンプ６３の内部の圧縮室１５１の後段部分に接続される。本実施形態では、バラスト配管１７０の下流側の端部は、圧縮室１５１の最も後段側に位置するベアリング１５３部分に接続され、ギアボックス１５４をシールするようにバラストガスが二酸化炭素回収用ポンプ６３の内部に導入される。

なお、上記実施形態では、バラスト配管１７０は、その上流側の端部が二酸化炭素側配管１６１ｂに接続される構成であるが、この構成に限定される訳ではない。例えば、バラスト配管１７０の上流側の端部が二酸化炭素タンク６６に接続され、二酸化炭素タンク６６に貯留される二酸化炭素濃度が高いガスをバラストガスとして二酸化炭素回収用ポンプ６３に戻す構成としてもよい。

また、上記実施形態では、バラスト配管１７０は、その下流側の端部が二酸化炭素回収用ポンプ６３の圧縮室１５１の後段側に接続される構成であるが、この構成に限定される訳ではない。例えば、圧縮室１５１の前段側に配置されてもよいし、圧縮室１５１の下流側に接続され、排出口１５５に至る前の流路に配置されてもよい。このように、二酸化炭素を主成分とするバラストガスは、圧縮工程で高温ガスが大気圧に戻る位置や戻った後の位置に導入されることが好ましい。

また、上記実施形態では、熱交換器６４に導入される熱媒体は、熱源低温水回路８６の冷水であったが、この構成に限定される訳ではない。例えば、熱源高温水回路８５の温水を熱媒体として熱交換器６４に導入する構成としてもよい。

以上説明したように、本実施形態の二酸化炭素回収装置１は、吸着材１２を内部に有し、吸着材１２に対して二酸化炭素を含む気体を吸引して二酸化炭素を吸着させる吸着工程と、吸着材１２の周囲を減圧した状態で加熱することにより当該吸着材１２から二酸化炭素を脱離する脱離工程と、を実行するリアクター１１と、脱離工程で脱離した二酸化炭素を回収するためにリアクター１１の内部に吸引力を作用させる二酸化炭素回収用ポンプ６３と、二酸化炭素回収用ポンプ６３の後段に配置され、二酸化炭素回収用ポンプ６３によって吸引された二酸化炭素と水蒸気を含むガスを冷却して気液分離する熱交換器（冷却機）６４と、熱交換器６４を通過した気液分離後の二酸化炭素の少なくとも一部をバラストガスとして二酸化炭素回収用ポンプ６３の内部に戻すバラスト配管１７０と、を備える。

これにより、二酸化炭素濃度が高いバラストガスが二酸化炭素回収用ポンプ６３の内部に送り込まれるので、二酸化炭素回収用ポンプ６３内部の蒸気圧が下がって水が凝縮し難い状態となる。これによって、バラストガスを送らない場合に比べて後工程で水が凝縮するようになり、水の液化するタイミングを後段側にコントロールできる。そして、バラストガスは、窒素や乾燥空気等の他のガスとは異なり、二酸化炭素を主成分とするガスなので、後段の二酸化炭素タンク６６で回収される二酸化炭素濃度の濃度を低減させることもない。

また、本実施形態では、二酸化炭素回収用ポンプ６３は、リアクター１１から吸引したガスを大気圧に戻す圧縮工程を実行する圧縮室１５１を有し、バラスト配管１７０は、二酸化炭素回収用ポンプ６３の内部において圧縮室１５１又は圧縮室１５１の後段に接続される。

これにより、後段での二酸化炭素濃度を低下させることなく、圧縮工程での水蒸気の凝縮による水の発生をバラストガスによって効果的に防止できる。

また、本実施形態では、熱交換器６４のガスが通過する流路１６０は、入口１６０ａよりも出口１６０ｂが下に位置するように傾斜する。

これにより、熱交換器６４で冷却されて液体となった水が傾斜に沿って後段のセパレータ６５に留まることなく流れるので、水と二酸化炭素が混合することにより回収される二酸化炭素濃度が低下する可能性をより低減できる。

また、本実施形態の二酸化炭素回収装置１は、リアクター１１に供給される加熱用熱媒体を加熱するとともにリアクターに供給される冷却用熱媒体を冷却するヒートポンプ式の熱源器８１を更に備え、熱交換器６４を冷却する熱媒体は、冷水（冷却用熱媒体）又は温水（加熱用熱媒体）である。

これにより、水が二酸化炭素に混入するコンタミネーションに起因する二酸化炭素濃度の低下を抑制しつつ、熱交換器６４の高温ガスの凝縮熱や冷却時の排熱の回収を並行して行うことができ、熱源器８１を効率的に運用できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態や変形例に限るものではない。また、上記実施形態に記載された効果は、好適な効果を列挙したに過ぎず、上記実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

１ 二酸化炭素回収装置
１１ リアクター
１２ 吸着材
６２ 真空ポンプ
６３ 二酸化炭素回収用ポンプ
６４ 熱交換器（冷却機）
６５ セパレータ
７０ 熱交換装置
８０ 熱源回路
８１ 熱源器
８５ 熱源高温水回路
８６ 熱源低温水回路
８７ 機器熱回収回路
１５１ 圧縮室
１６０ 流路
１７０ バラスト配管

Claims (3)

1. 吸着材を内部に有し、前記吸着材に対して二酸化炭素を含む気体を吸引して前記二酸化炭素を吸着させる吸着工程と、前記吸着材の周囲を減圧した状態で加熱することにより当該吸着材から前記二酸化炭素を脱離する脱離工程と、を実行するリアクターと、
   前記脱離工程で脱離した前記二酸化炭素を回収するために前記リアクターの内部に吸引力を作用させる二酸化炭素回収用ポンプと、
   前記二酸化炭素回収用ポンプの後段に配置され、前記二酸化炭素回収用ポンプによって吸引された前記二酸化炭素と水蒸気を含むガスを冷却して気液分離する冷却機と、
   前記冷却機を通過した気液分離後の前記二酸化炭素の少なくとも一部をバラストガスとして前記二酸化炭素回収用ポンプの内部に戻すバラスト配管と、
   を備え、
   前記リアクターに供給される加熱用熱媒体を加熱するとともに前記リアクターに供給される冷却用熱媒体を冷却するヒートポンプ式の熱源器を更に備え、
   前記冷却機を冷却する熱媒体は、前記冷却用熱媒体又は前記加熱用熱媒体である、二酸化炭素回収装置。
2. 前記二酸化炭素回収用ポンプは、
   前記リアクターから吸引した前記ガスを大気圧に戻す圧縮工程を実行する圧縮室を有し、
   前記バラスト配管は、
   前記二酸化炭素回収用ポンプの内部において前記圧縮室又は前記圧縮室の後段に接続される、
   請求項１に記載の二酸化炭素回収装置。
3. 前記冷却機の前記ガスが通過する流路は、入口よりも出口が下に位置するように傾斜する、
   請求項１又は２に記載の二酸化炭素回収装置。