JP7795571B2 - 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、大気等の二酸化炭素を含む気体から二酸化炭素を回収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がある。特許文献１には、ガス状二酸化炭素をガス混合物から、ガス状二酸化炭素を吸着する吸着剤を用いた循環式吸着／脱着によって、分離する方法が記載されている。

特表２０１７－５２８３１８号公報

ところで、吸着材を有するモジュールを複数用いて脱離工程や吸着工程を同時並行で行う二酸化炭素回収装置において、第１のモジュールの吸着材を冷却用の熱媒体により冷却する一方、第２のモジュールには加熱用の熱媒体により吸着材を昇温することがある。エネルギー効率を向上させるため、第１のモジュールから排熱回収を行って、回収した熱を第２のモジュールの吸着材の昇温に利用することが考えられる。

第２のモジュールの吸着材を脱離可能な温度まで昇温するためには第１のモジュールからの排熱回収だけでは十分ではない場合もある。昇温段階によって利用する熱媒体を切り替えることも考えらえるが、モジュールに流れる熱媒体の必要十分な流量は、使用する熱媒体の温度ポテンシャルや脱離工程や吸着工程の各段階で異なる。そのため、モジュールに供給される熱媒体の温度ポテンシャルや吸着材の状況を考慮せず、一定の流量で熱媒体を流通させると必要以上に吸着材を昇温したり、冷却したりするおそれがある。また、流量はポンプの仕事量に直結するため、熱媒体の流量は必要最小限に設定されることが好ましい。二酸化炭素回収装置の省エネルギー化が望まれており、熱媒体を循環させるためのポンプの電力消費抑制という点でも従来技術には課題があった。

本発明は、脱離工程や吸着工程における温度の昇温及び冷却を適切な流量の熱媒体で正確に行うことができるとともに、省エネルギー化を実現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、を実行する複数のモジュール（例えば、後述するモジュール１１）と、前記複数のモジュールのそれぞれに対して前記脱離工程を行う前記吸着材を加熱するために相対的に高温な熱媒体（例えば、後述する温水）を供給するための加熱用熱媒体ライン（例えば、後述する温水ライン１１２）と、前記吸着工程を行う前記吸着材を冷却するために相対的に低温の熱媒体（例えば、後述する冷水）を供給するための冷却用熱媒体ライン（例えば、後述する冷水ライン１１１）と、前記加熱用熱媒体ラインを流れる前記熱媒体を加熱するとともに前記冷却用熱媒体ラインを流れる前記熱媒体を冷却可能な熱源器（例えば、後述する熱源器８１）と、前記複数のモジュールのうちの１つである第１のモジュールを通過した前記熱媒体を、当該第１のモジュールとは異なる第２のモジュールに対して導入可能なバイパスライン（例えば、後述するバイパスライン３１）と、前記モジュールのそれぞれに配置され、前記加熱用熱媒体ライン、前記冷却用熱媒体ライン又は前記バイパスラインの中から前記モジュールに供給する前記熱媒体の経路を切り替えるとともに、前記モジュールを通過する前記熱媒体の流量を調整可能な流量調整装置（例えば、後述する上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂ）と、前記流量調整装置を制御することにより、前記熱媒体の経路を切り替える切替制御及び前記熱媒体の流量を調整する流量制御を、前記吸着材の状況に応じて変更する制御装置（例えば、後述する制御装置９０）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、前記流量調整装置は、前記モジュールの上流側に接続されるとともに、前記加熱用熱媒体ライン、前記冷却用熱媒体ライン及び前記バイパスラインが接続される上流側四方弁（例えば、後述する上流側四方弁３０ａ）と、前記モジュールの下流側に接続されるとともに、前記加熱用熱媒体ライン、前記冷却用熱媒体ライン及び前記バイパスラインが接続される下流側四方弁（例えば、後述する下流側四方弁３０ｂ）と、により構成され、前記制御装置は、前記上流側四方弁及び前記下流側四方弁の内部流路を切り替えることにより、前記モジュールに供給される前記熱媒体の経路を切り替えてもよい。

（３）上記（１）又は（２）に記載の二酸化炭素回収装置において、前記制御装置は、前記加熱用熱媒体ラインから供給される前記熱媒体により前記吸着材を前記脱離工程の所定温度まで昇温する昇温段階の流量に対し、前記昇温によって前記所定温度に達した前記吸着材の温度を前記所定温度に維持する保持段階の流量が少なくなるように前記流量制御を行ってもよい。

（４）上記（１）又は（２）に記載の二酸化炭素回収装置において、前記制御装置は、前記脱離工程後に、前記冷却用熱媒体ラインから供給される前記熱媒体により前記第１のモジュールの前記吸着材の冷却を行うとともに、前記第１のモジュールの冷却を行った前記熱媒体を前記第２のモジュールに前記バイパスラインを通じて供給することにより、前記第２のモジュールの昇温を行うバイパス制御を行ってもよい。

（５）上記（４）に記載の二酸化炭素回収装置において、前記制御装置は、前記バイパス制御後に、前記第１のモジュールに対して前記冷却用熱媒体ラインから供給される前記熱媒体の流量を前記バイパス制御よりも多くする制御を行ってもよい。

（６）上記（４）に記載の二酸化炭素回収装置において、前記制御装置は、前記バイパス制御後に、前記バイパスラインから前記第２のモジュールへの経路を閉鎖するとともに、当該第２のモジュールに対して前記バイパス制御で供給された前記熱媒体の流量よりも多い流量で前記加熱用熱媒体ラインから前記熱媒体を供給してもよい。

本発明によれば、脱離工程や吸着工程における温度の昇温及び冷却を適切な流量の熱媒体で正確に行うことができるとともに、省エネルギー化を実現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モジュール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熱交換装置の構成を示す模式図である。 第１のモジュールの吸着材の温度と熱媒体の供給量の関係を示すグラフである。 第２のモジュールの吸着材の温度と熱媒体の供給量の関係を示すグラフである。 第１段階における第１のモジュールと第２のモジュールの流路の接続状態を説明する模式図である。 第２段階における第１のモジュールと第２のモジュールの流路の接続状態を説明する模式図である。 第３段階における第１のモジュールと第２のモジュールの流路の接続状態を説明する模式図である。

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。

＜気体の流れに関する構成＞
まず、図１及び図２を参照し、大気から二酸化炭素を回収する構成について説明する。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のモジュール１１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に示すように、本実施形態の二酸化炭素回収装置１は、モジュールユニット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、インタークーラ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、を備える。また、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。なお、各モジュール１１に対して熱供給及び排熱回収を行う熱交換装置７０は、図１及び図２において図示が省略されているものとする。

モジュールユニット１０は、二酸化炭素を吸着するモジュール１１が並列に複数配置されて構成される。本実施形態では、左右一対のモジュールユニット１０により、合計１６個のモジュール１１が配置される。

図２に示すように、モジュール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モジュールである。

吸着材１２は、二酸化炭素を吸着するためにモジュール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とモジュール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とモジュール１１の接続部に配置される開閉弁である。第３バルブ２３は、モジュール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とモジュール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、モジュール１１の内部圧力を計測する。二酸化炭素センサ２６は、モジュール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、各モジュール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を通じてモジュール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、モジュール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、各モジュール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を通じてモジュール１１の内部の気体を吸気し、モジュール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、各モジュール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、インタークーラ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。これによってインタークーラ６４側からモジュール１１側に気体が逆流しない構成となっている。

インタークーラ６４は、モジュール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。

インタークーラ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。

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。

二酸化炭素タンク６６には、二酸化炭素ライン１０３の他にバラストを二酸化炭素回収用ポンプ６３に戻す循環ライン１０４が接続される。循環ライン１０４には、流量センサ６６７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。

＜熱交換装置の構成＞
次に、図３を参照し、熱交換装置７０の構成について説明する。図３は、本実施形態の二酸化炭素回収装置１の熱交換装置７０の構成を示す模式図である。図３には、複数のモジュール１１のうち、熱交換装置７０による熱供給及び排熱回収が行われる対象として第１のモジュール１１ａと第２のモジュール１１ｂが図示されている。なお、以下の説明において、第１のモジュール１１ａと第２のモジュール１１ｂを区別しない共通の構成についてはモジュール１１としてアルファベットを省略して表記する場合がある。

熱交換装置７０は、モジュールユニット１０の各モジュール１１が脱離工程を行う際に、そのモジュール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、各モジュール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、冷水ライン１１１と、冷水循環用ウォータポンプ８２１と、温水ライン１１２と、温水循環用ウォータポンプ８３１と、熱源器８１と、冷水タンク８２と、温水タンク８３と、上流側四方弁３０ａと、下流側四方弁３０ｂと、バイパスライン３１と、を備える。

冷水ライン１１１は、冷却用熱媒体としての低温の冷水が流通する配管である。冷水ライン１１１は、各モジュール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と各モジュール１１を接続する。冷水ライン１１１のうち、各モジュール１１の上流側に接続されるラインを冷水往ライン１１１ａとし、各モジュール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、複数のモジュール１１に並列接続されており、冷水の供給もモジュール１１ごとに並行して行うことができる。冷水往ライン１１１ａからモジュール１１に流入する冷水は、モジュール１１の通過前であるため、相対的に高圧の熱媒体となる。冷水復ライン１１１ｂも複数のモジュール１１に並列接続されており、冷却完了後の冷水の回収もモジュール１１ごとに並行して行うことができる。モジュール１１から冷水復ライン１１１ｂに流出する冷水は、モジュール１１の通過後であるため、相対的に低圧の熱媒体となる。

冷水循環用ウォータポンプ８２１は、冷水ライン１１１に配置される。冷水循環用ウォータポンプ８２１は、例えば、カスケードポンプである。冷水循環用ウォータポンプ８２１により、冷水が冷水ライン１１１を循環する。

温水ライン１１２は、加熱用熱媒体としての高温の温水が流通する配管である。温水ライン１１２は、各モジュール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と各モジュール１１を接続する。温水ライン１１２のうち、各モジュール１１の上流側に接続されるラインを温水往ライン１１２ａとし、各モジュール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、複数のモジュール１１に並列接続されており、温水の供給もモジュール１１ごとに並行して行うことができる。温水往ライン１１２ａからモジュール１１に流入する温水は、モジュール１１の通過前であるため、相対的に高温、高圧の熱媒体となる。温水復ライン１１２ｂも、複数のモジュール１１に並列接続されており、加熱完了後の温水の回収もモジュール１１ごとに並行して行うことができる。モジュール１１から温水復ライン１１２ｂに流出する温水は、モジュール１１の通過後であるため、相対的に低圧の熱媒体となる。

温水循環用ウォータポンプ８３１は、温水ライン１１２に配置される。温水循環用ウォータポンプ８３１は、例えば、カスケードポンプである。温水循環用ウォータポンプ８３１により、温水が温水ライン１１２を循環する。

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。

冷水タンク８２は、冷水ライン１１１を流れる冷水を貯留する。冷水ライン１１１を流れる冷水は、冷水タンク８２に貯留された後、熱源器８１に送られる。また、熱源器８１で冷却された冷水は、冷水タンク８２に戻された後、冷水ライン１１１を通じて各モジュール１１に送られる。

温水タンク８３は、温水ライン１１２を流れる温水を貯留する。温水ライン１１２を流れる温水は、温水タンク８３に貯留された後、熱源器８１に送られる。また、熱源器８１で加温された熱媒体は、温水タンク８３に戻された後、温水ライン１１２を通じて各モジュール１１に送られる。

上流側四方弁３０ａは、各モジュール１１の上流側に配置される流路切替装置である。上流側四方弁３０ａは、内部を通過する流体の流量を調節する流量調節機能を有する。上流側四方弁３０ａには、冷水往ライン１１１ａと、温水往ライン１１２ａと、バイパスライン３１と、が接続される。

本実施形態の上流側四方弁３０ａは、冷水往ライン１１１ａとモジュール１１を接続する冷水接続状態と、温水往ライン１１２ａとモジュール１１を接続する温水接続状態と、バイパスライン３１とモジュール１１を接続するバイパス接続状態と、を切替可能な内部流路を有する。

下流側四方弁３０ｂは、各モジュール１１の下流側に配置される流路切替装置である。下流側四方弁３０ｂは、内部を通過する流体の流量を調節する流量調節機能を有する。下流側四方弁３０ｂには、冷水復ライン１１１ｂと、温水復ライン１１２ｂと、バイパスライン３１と、が接続される。

本実施形態の下流側四方弁３０ｂは、冷水復ライン１１１ｂとモジュール１１を接続する冷水接続状態と、温水復ライン１１２ｂとモジュール１１を接続する温水接続状態と、バイパスライン３１とモジュール１１を接続するバイパス接続状態と、を切替可能な内部流路を有する。

バイパスライン３１は、モジュール１１間の熱媒体の移動を可能にする流路である。バイパスライン３１は、２つのモジュール１１間を接続する。バイパスライン３１によって接続されるモジュール１１は、隣接するモジュールであってもよいし、隣接せず離れた位置のモジュール１１であってもよい。図３の例では、バイパスライン３１の一側の端部が第１のモジュール１１ａの下流側四方弁３０ｂに接続されるとともに、他側の端部が第２のモジュール１１ｂの上流側四方弁３０ａに接続される。

なお、第１のモジュール１１ａの上流側四方弁３０ａに接続されるバイパスライン３１は紙面左側に位置する不図示のモジュール１１の下流側四方弁３０ｂに接続されているものとする。また、第２のモジュール１１ｂの下流側四方弁３０ｂに接続されるバイパスライン３１は紙面右側に位置する不図示のモジュール１１の上流側四方弁３０ａに接続されているものとする。

上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂの流路切替は、制御装置９０によって制御される。モジュール１１に温水を流通させる場合、上流側四方弁３０ａにより温水往ライン１１２ａとモジュール１１の上流側が接続されるとともに、下流側四方弁３０ｂにより温水復ライン１１２ｂとモジュール１１の下流側が接続される。モジュール１１に冷水を流通させる場合、上流側四方弁３０ａにより冷水往ライン１１１ａとモジュール１１の上流側が接続されるとともに、下流側四方弁３０ｂにより冷水復ライン１１１ｂとモジュール１１の下流側が接続される。

また、バイパス接続状態では、第１のモジュール１１ａの下流側四方弁３０ｂ及び第２のモジュール１１ｂの上流側四方弁３０ａにより、第１のモジュール１１ａの下流側と第２のモジュール１１ｂの上流側がバイパスライン３１を通じて接続される。これにより、バイパスライン３１を通じて第１のモジュール１１ａを通過した熱媒体（温水又は冷水）を第２のモジュール１１ｂに流通させることが可能となる。

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、複数のモジュール１１が時系列で吸着と脱離を繰り返すために、各モジュール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、各モジュール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、上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂ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、冷水循環用ウォータポンプ８２１、温水循環用ウォータポンプ８３１等の駆動制御を行う。

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、モジュール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圧縮して不図示のタンクに貯めることで、空気中から二酸化炭素を除去し、回収している。本実施形態では、吸着工程の時間：脱離工程の時間＝３：１で吸着工程と脱離工程が行われる。

吸着工程は、モジュール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、モジュール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。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、モジュール１１内の吸着材１２を通過する。このとき、モジュール１１内は常温（２５℃）であり、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、モジュール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、モジュール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、モジュール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。同時に、熱交換装置８０により、熱源となる熱媒体がモジュール１１内を流れて熱エネルギーを供給し、モジュール１１の吸着材１２を昇温する。この熱交換装置８０による昇温制御については後述する。

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不図示のタンクに貯蔵される。本実施形態では、１６個のモジュール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。

＜切替制御及び流量制御＞
次に、制御装置９０による吸着工程や脱離工程の各段階（状況）に応じた流路の切替制御及び流量制御について説明する。制御装置９０による流量制御では、目標の吸着材１２の温度の時間変化プロフィールに適合するように上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂの開度がフィードバック制御される。

なお、制御装置９０は、温度センサ２７から取得される吸着材１２の温度に基づいて吸着材１２の各段階を判定してもよいし、圧力センサ２５等の各種センサの検出値に基づいて吸着材１２の各段階を判定してもよいし、タイマ等による時間経過を利用して吸着材１２の各段階を判定してもよい。

図４は、第１のモジュール１１ａの吸着材１２の温度と熱媒体の供給量の関係を示すグラフである。図５は、第２のモジュール１１ｂの吸着材１２の温度と熱媒体の供給量の関係を示すグラフである。なお、図４に示す各段階と図５に示す各段階は対応しており、第１のモジュール１１ａと第２のモジュール１１ｂは並行して各工程が実行されているものとする。また、第１段階、第２段階、第３段階は、グラフにおける順序を示すものである。例えば、図４における第１段階は二酸化炭素回収装置１の最初の吸着材１２の状態を示すものではなく、時系列的に図４のグラフより前に行われた昇温制御を経て脱離工程に至った状態を示すものとする。

まず、図４に示す第１のモジュール１１ａ側の第１段階の制御について説明する。第１のモジュール１１ａ側の第１段階では脱離工程が行われている。この脱離工程では、吸着材１２は事前に行われた昇温制御により８０℃に達している。

図６は、第１段階における第１のモジュール１１ａと第２のモジュール１１ｂの流路の接続状態を説明する模式図である。図６に示すように、第１段階では、上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂが温水接続状態に制御されている。これによって温水往ライン１１２ａと第１のモジュール１１ａの上流側が接続されるとともに、第１のモジュール１１ａの下流側と温水復ライン１１２ｂが接続される状態となっている。

図４のグラフに示す第１段階では、吸着材１２の温度が既に８０℃に達しているため、温水の供給量は吸着材１２の温度を維持できる量であればよい。従って、第１段階の制御装置９０は、図４のグラフに図示する前の昇温段階の流量（例えば、１０ｌ／ｍｉｎ）よりも相対的に少ない流量（例えば、５ｌ／ｍｉｎ）となるように、第１のモジュール１１ａの上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂの開度を絞る制御を行う。

一方、図５に示す第２のモジュール１１ｂ側の第１段階では真空ポンプ６２の吸引により第２モジュール内部のＯ_２をパージする動作が実行される。第２のモジュール１１ｂの吸着材１２の温度は、例えば、３０℃以下の常温である。Ｏ_２をパージしている間、制御装置９０は、上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂを制御して第２のモジュール１１ｂを冷水ライン１１１、温水ライン１１２及びバイパスライン３１の全ての経路を閉鎖し、熱媒体が流通しない状態に制御する。

次に、第２段階について説明する。図４に示すように、第２段階の第１のモジュール１１ａでは脱離工程が終了し、予冷（直列）が開始される。ここでいう直列は、冷水を第１のモジュール１１ａを通過した後に第２のモジュール１１ｂを通過させることを意味する。

図７は、第２段階における第１のモジュール１１ａと第２のモジュール１１ｂの流路の接続状態を説明する模式図である。図７に示すように、制御装置９０は、上流側四方弁３０ａを冷水接続状態に制御するとともに、下流側四方弁３０ｂをバイパス接続状態に制御する。これによって冷水往ライン１１１ａと第１のモジュール１１ａの上流側が接続されるとともに、第１のモジュール１１ａの下流側とバイパスライン３１が接続される。

図５に示すように、第２段階の第２のモジュール１１ｂではＯ_２パージが終了し、第１昇温制御が開始される。第１昇温制御は、吸着材１２を常温から５０℃あたりまで昇温することを目的として行われる。

図７に示すように、第２段階の制御装置９０は、上流側四方弁３０ａをバイパス接続状態に制御するとともに、下流側四方弁３０ｂを冷水接続状態に制御する。これによってバイパスライン３１と第２のモジュール１１ｂの上流側が接続されるとともに、第２のモジュール１１ｂの下流側と冷水復ライン１１１ｂが接続される状態となる。

第２段階の第１のモジュール１１ａでは、冷水往ライン１１１ａの冷水が第１のモジュール１１ａの上流側に導入され、第１のモジュール１１ａの吸着材１２の温度が８０℃から５０℃まで次第に冷却される。第１のモジュール１１ａの下流側から流出する冷水は、当該第１のモジュール１１ａの通過時に吸着材１２から熱を受けとっており、第１のモジュール１１ａの導入前より高い温度になっている。

一方、第２段階の第２のモジュール１１ｂでは、バイパスライン３１を通じて第１のモジュール１１ａ通過後の水（バイパス水）が第２のモジュール１１ｂの上流側に導入される。バイパス水により、第２のモジュール１１ｂの吸着材１２の温度が次第に上昇して常温から５０℃あたりまで昇温される。このように、第２段階では、第１のモジュール１１ａから第２のモジュール１１ｂへの熱のバトンタッチが行われる。

この第２段階の第１のモジュール１１ａの予冷及び第２のモジュール１１ｂの昇温は、最終的な目的温度に対する中間段階であり、必要な流量は相対的には少ない。そのため、制御装置９０は、第２段階では、第１のモジュール１１ａの上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂと、第２のモジュール１１ｂの上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂと、のそれぞれの開度を絞り、相対的に少ない流量（例えば、５ｌ／ｍｉｎ）となるように制御する。

次に、第３段階について説明する。図４に示すように、第３段階の第１のモジュール１１ａでは予冷（並列）が行われる。ここでいう並列は、第１のモジュール１１ａと第２のモジュール１１ｂのそれぞれに熱媒体（冷水及び温水）を並列に供給することを意味する。

図８は、第３段階における第１のモジュール１１ａと第２のモジュール１１ｂの流路の接続状態を説明する模式図である。図８に示すように、第３段階の制御装置９０は、第１のモジュール１１ａの上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂを冷水接続状態に制御する。これによって冷水往ライン１１１ａと第１のモジュール１１ａの上流側が接続されるとともに、第１のモジュール１１ａの下流側と冷水復ライン１１１ｂが接続される状態となる。冷水往ライン１１１ａの低温の冷水が第１のモジュール１１ａに導入され、第１のモジュール１１ａの吸着材１２の温度が５０℃から３０℃あたりまで冷却される。

第３段階における第１のモジュール１１ａの予冷（並列）は、第１のモジュール１１ａの吸着材１２の温度を５０℃から目的の温度（３０℃）まで冷却する工程であり、制御装置９０は、第２段階の予冷（直列）よりも多い流量（例えば、１０ｌ／ｍｉｎ）となるように第１のモジュール１１ａの上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂの開度を制御する。

図５に示すように、第３段階の第２のモジュール１１ｂでは第１昇温制御が終了し、第２昇温制御が開始される。第２昇温制御は、吸着材１２を５０℃あたりから脱離工程を行うための目的温度である８０℃まで昇温することを目的として行われる。

図８に示すように、第３段階の制御装置９０は、第２のモジュール１１ｂの上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂを温水接続状態に制御する。これによって温水往ライン１１２ａと第２のモジュール１１ｂの上流側が接続されるとともに、第２のモジュール１１ｂの下流側と温水復ライン１１２ｂが接続される状態となる。温水往ライン１１２ａの高温の温水が第２のモジュール１１ｂに導入され、第２のモジュール１１ｂの吸着材１２の温度が５０℃から８０℃まで次第に昇温される。

第３段階における第２のモジュール１１ｂの第２昇温制御は、第２のモジュール１１ｂの吸着材１２の温度を５０℃から目的の温度（８０℃）まで加温する工程であり、制御装置９０は、第２段階の第１昇温制御よりも多い流量（例えば、１０ｌ／ｍｉｎ）となるように第２のモジュール１１ｂの上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂの開度を制御する。

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、を実行する複数のモジュール１１と、複数のモジュール１１のそれぞれに対して脱離工程を行う吸着材１２を加熱するために相対的に高温な温水（熱媒体）を供給するための温水ライン（加熱用熱媒体ライン）１１２と、吸着工程を行う吸着材１２を冷却するために相対的に低温の熱媒体（冷水）を供給するための冷水ライン（冷却用熱媒体ライン）１１１と、温水ライン１１２を流れる温水を加熱するとともに冷水ライン１１１を流れる冷水を冷却可能な熱源器８１と、複数のモジュール１１のうちの１つである第１のモジュール１１ａを通過した熱媒体を、当該第１のモジュール１１ａとは異なる第２のモジュール１１ｂに対して導入可能なバイパスライン３１と、モジュール１１のそれぞれに配置され、温水ライン１１２、冷水ライン１１１又はバイパスライン３１の中からモジュール１１に供給する熱媒体の経路を切り替えるとともに、モジュール１１を通過する熱媒体の流量を調整可能な上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂ（流量調整装置）と、上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂを制御することにより、熱媒体の経路を切り替える切替制御及び熱媒体の流量を調整する流量制御を、吸着材１２の状況に応じて変更する制御装置９０と、を備える。

これにより、第１のモジュール１１ａと第２のモジュール１１ｂの間で排熱回収を行うことができる。第１のモジュール１１ａと第２のモジュール１１ｂの間で効率の良い熱エネルギーの受け渡しが可能となり、温水等の熱媒体を加温するために必要な電気エネルギーを減少させることができる。更に、吸着工程や脱離工程の各段階で流量を変更することができるので、吸着材１２の状態に応じて適切な流量を選択することにより、過不足なく必要な水量を供給できる。また、圧損（必要揚程）は流量の二乗に比例し、冷水循環用ウォータポンプ８２１や温水循環用ウォータポンプ８３１の仕事量は揚程と流量の積に比例する。開度調整を行わない場合、常に最大流量で温水や冷水の熱媒体が流れることになるが、本実施形態では段階に応じて流量を少なくできるので、ポンプ仕事量を大きく減らして二酸化炭素回収装置１のエネルギー効率を向上させることができる。

また、本実施形態では、流量調整装置は、モジュール１１の上流側に接続されるとともに、温水ライン１１２、冷水ライン１１１及びバイパスライン３１が接続される上流側四方弁３０ａと、モジュール１１の下流側に接続されるとともに、温水ライン１１２、冷水ライン１１１及びバイパスライン３１が接続される下流側四方弁３０ｂと、により構成され、制御装置９０は、上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂの内部流路を切り替えることにより、モジュール１１に供給される熱媒体の経路を切り替える。

これにより、温水ライン１１２、冷水ライン１１１及びバイパスライン３１を通じて供給される熱媒体の切替制御を上流側四方弁３０ａ及び下流側四方弁３０ｂによって行うことができる。流量調整機能を温水ライン１１２、冷水ライン１１１及びバイパスライン３１ごとに配置する必要もなくなるので、シンプルな構成で吸着材１２に供給される熱媒体の流量を温度ポテンシャルに応じて変更するための構成を実現できる。

また、本実施形態では、制御装置９０は、温水ライン１１２から供給される温水により吸着材１２を脱離工程の所定温度まで昇温する昇温段階の流量に対し、昇温によって所定温度に達した吸着材１２の温度を所定温度に維持する保持段階の流量が少なくなるように流量制御を行う。

これにより、温度保持を目的とし、要求される流量が少ない脱離工程において昇温段階よりもモジュール１１に供給される熱媒体の流量を少なくできるので、温水循環用ウォータポンプ８３１の仕事量を低減することができる。

また、本実施形態では、制御装置９０は、脱離工程後に、冷水ライン１１１から供給される冷水により第１のモジュール１１ａの吸着材１２の冷却を行うとともに、第１のモジュール１１ａの冷却を行った冷水を第２のモジュール１１ｂにバイパスライン３１を通じて供給することにより、第２のモジュール１１ｂの昇温を行うバイパス制御を行う。

これにより、第１のモジュール１１ａの吸着材１２を冷却したときに受け取った熱を有する冷水により、第２のモジュール１１ｂの吸着材１２を昇温させることができる。外部から熱供給を加えることなく排熱回収を利用して昇温できるのでエネルギー効率をより向上させることができる。

また、本実施形態では、制御装置９０は、バイパス制御後に、第１のモジュール１１ａに対して冷水ライン１１１から供給される冷水の流量をバイパス制御よりも多くする制御を行う。

これにより、バイパス制御では冷水循環用ウォータポンプ８２１の仕事量を抑制しつつ第２のモジュール１１ｂに要求される流量でバイパス水を第１のモジュール１１ａから第２のモジュール１１ｂに供給できる。また、バイパス制御後は冷水の流量が多くなるので、第１のモジュール１１ａの吸着材１２を速やかに所定温度まで昇温することができる。

また、本実施形態では、制御装置９０は、バイパス制御後に、バイパスライン３１から第２のモジュール１１ｂへの経路を閉鎖するとともに、当該第２のモジュール１１ｂに対してバイパス制御で供給された熱媒体の流量よりも多い流量で温水ライン１１２から熱媒体を供給する。また、バイパス制御後は高温であり流量の多い温水が第２のモジュール１１ｂに供給されることになるので、第２のモジュール１１ｂの吸着材１２を速やかに常温まで冷却することができる。

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 モジュール
１１ａ 第１のモジュール
１１ｂ 第２のモジュール
１２ 吸着材
３０ａ 上流側四方弁
３０ｂ 下流側四方弁
３１ バイパスライン
８１ 熱源器
９０ 制御装置
１１１ 冷水ライン
１１１ａ 冷水往ライン
１１１ｂ 冷水復ライン
１１２ 温水ライン
１１２ａ 温水往ライン
１１２ｂ 温水復ライン

Claims (6)

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、を実行する複数のモジュールと、
   前記複数のモジュールのそれぞれに対して前記脱離工程を行う前記吸着材を加熱するために相対的に高温な熱媒体を供給するための加熱用熱媒体ラインと、
   前記吸着工程を行う前記吸着材を冷却するために相対的に低温の熱媒体を供給するための冷却用熱媒体ラインと、
   前記加熱用熱媒体ラインを流れる前記熱媒体を加熱するとともに前記冷却用熱媒体ラインを流れる前記熱媒体を冷却可能な熱源器と、
   前記複数のモジュールのうちの１つである第１のモジュールを通過した前記熱媒体を、当該第１のモジュールとは異なる第２のモジュールに対して導入可能なバイパスラインと、
   前記モジュールのそれぞれに配置され、前記加熱用熱媒体ライン、前記冷却用熱媒体ライン又は前記バイパスラインの中から前記モジュールに供給する前記熱媒体の経路を切り替えるとともに、前記モジュールを通過する前記熱媒体の流量を調整可能な流量調整装置と、
   前記流量調整装置を制御することにより、前記熱媒体の経路を切り替える切替制御及び前記熱媒体の流量を調整する流量制御を、前記吸着材の状況に応じて変更する制御装置と、
   を備える二酸化炭素回収装置。
2. 前記流量調整装置は、
   前記モジュールの上流側に接続されるとともに、前記加熱用熱媒体ライン、前記冷却用熱媒体ライン及び前記バイパスラインが接続される上流側四方弁と、
   前記モジュールの下流側に接続されるとともに、前記加熱用熱媒体ライン、前記冷却用熱媒体ライン及び前記バイパスラインが接続される下流側四方弁と、
   により構成され、
   前記制御装置は、前記上流側四方弁及び前記下流側四方弁の内部流路を切り替えることにより、前記モジュールに供給される前記熱媒体の経路を切り替える、
   請求項１に記載の二酸化炭素回収装置。
3. 前記制御装置は、
   前記加熱用熱媒体ラインから供給される前記熱媒体により前記吸着材を前記脱離工程の所定温度まで昇温する昇温段階の流量に対し、前記昇温によって前記所定温度に達した前記吸着材の温度を前記所定温度に維持する保持段階の流量が少なくなるように前記流量制御を行う、
   請求項１又は２に記載の二酸化炭素回収装置。
4. 前記制御装置は、
   前記脱離工程後に、前記冷却用熱媒体ラインから供給される前記熱媒体により前記第１のモジュールの前記吸着材の冷却を行うとともに、前記第１のモジュールの冷却を行った前記熱媒体を前記第２のモジュールに前記バイパスラインを通じて供給することにより、前記第２のモジュールの昇温を行うバイパス制御を行う、
   請求項１又は２に記載の二酸化炭素回収装置。
5. 前記制御装置は、
   前記バイパス制御後に、前記第１のモジュールに対して前記冷却用熱媒体ラインから供給される前記熱媒体の流量を前記バイパス制御よりも多くする制御を行う、
   請求項４に記載の二酸化炭素回収装置。
6. 前記制御装置は、
   前記バイパス制御後に、前記バイパスラインから前記第２のモジュールへの経路を閉鎖するとともに、当該第２のモジュールに対して前記バイパス制御で供給された前記熱媒体の流量よりも多い流量で前記加熱用熱媒体ラインから前記熱媒体を供給する、
   請求項４に記載の二酸化炭素回収装置。