二氧化碳分离回收系统以及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及从燃煤排气等含有二氧化碳(CO2)的被处理气体中分离.回收0)2的技术。具体而言，使用固体吸附剂选择性地分离被处理气体中的C02，回收C02，并且将分离中利用过的固体吸附剂进行再生的二氧化碳分离回收系统以及方法。
【背景技术】
[0002]以往，从燃煤排气等含有CO2的排气中回收CO2的技术正处于研究中(例如专利文献1、非专利文献I)。在非专利文献I中，示出物理吸附法.移动床循环再生方式的0)2回收成套设备。在该0)2回收成套设备中，使用固体吸附剂，从燃煤排气中选择性地分离C02，并回收被分离的CO2。
[0003]图9是示出非专利文献I的图1记载的CO2回收成套设备的概略结构的图。该CO2回收成套设备具备:在垂直方向上直列配置的冷却塔、吸附塔、浓缩塔、再生塔以及贮槽；和从IC槽向冷却塔搬运吸附剂的斗式提升机(bucket eIevator )。在吸附塔、冷却塔、再生塔以及贮槽内分别填充有作为吸附剂的沸石。吸附剂从最上部的冷却塔向位于最下部的贮槽依次移动，并且通过斗式提升机将吸附剂从最下部的贮槽向最上部的冷却塔搬运。在塔槽类下部分别设置有阀，通过开闭这些阀，以此使吸附剂一批一批地向下方的塔槽移动。
[0004]在上述结构的0)2回收成套设备中，燃煤排气通过排气鼓风机在冷却装置和除湿装置的前处理工序中去除水分后，连续地导入至吸附塔下部。排气中的CO2在吸附塔内上升后被吸附剂吸附，被去除CO2的废气(off gas)从吸附塔的塔顶向系统外部排出。在浓缩塔中，从吸附了 0)2的吸附剂回收的0)2的一部分与吸附剂吸附的氮等一起被压缩后从塔排出，作为产品气体回收。在再生塔中，通过过热蒸汽的供给和减压，0)2从吸附剂脱附，该CO 2作为产品气体回收。再生的吸附剂经由贮槽以及斗式提升机向冷却塔输送，在被冷却后，返回至吸附塔并进行再利用。
[0005]现有技术文献:
专利文献:
专利文献1:日本特表2012-520766号公报。
[0006]非专利文献:
非专利文献1:化学工学论文集第28卷第5号(2002)“利用移动床循环方式从燃煤排气中回收0)2的技术的适应性”从第636页左栏倒数第四行至右栏第22行，乘京逸夫.大岸弘、2002年。
【发明内容】
[0007]发明要解决的问题:
在上述非专利文献I记载的CO2回收成套设备的再生塔中，采用由壳管式(shell-and-tube)结构进行的接触传热方式。即，在再生塔的壳体侧导入吸附剂，同样地在管体侧导入过热水蒸汽，从而通过间接加热方式使吸附剂的温度上升。然而，从过热水蒸汽得到的显热较小，又，从再生塔流出的水蒸汽的潜热未被利用而丢弃。作为吸附剂的沸石是温度越高，CO2吸附量越少。然而，再生后的吸附剂处于高温(例如140°C)，因此不得不将吸附剂冷却至规定的吸附温度(例如40°C)以恢复吸附性能。因此，在再生塔的下游需要用于冷却吸附剂的贮槽和冷却塔。如上所述，在现有的0)2回收成套设备中还有节能化的余地，为了实现CO2回收技术的实用化，而理想的是进一步削减为回收CO 2所投入的能量。
[0008]本发明是鉴于上述问题而形成，其目的在于在使用含固体吸附剂的吸附材料选择性地分离排气中的(:02而回收CO 2的二氧化碳分离回收系统中，实现为CO 2回收和吸附材料再生所投入的能量的进一步削减。
[0009]解决问题的手段:
发明人等在开发二氧化碳回收系统时，为了使0)2从吸附材料脱附，采用使吸附材料与水蒸汽直接接触而并非对吸附材料间接加热的直接加热方式。通过采用该方式，能够在CO2的脱附中将水蒸汽的潜热作为能量利用。水蒸汽的潜热与水蒸汽的显热相比，从相同量的水分中能够得到的能量更大，可以减少使CO2从吸附材料脱附所需的水分量。又，水蒸汽不从再生塔排出，因此可以抑制如以往未被利用而丢弃的水蒸汽能量的损失。此外，不需要用于使0)2浓度上升所需的浓缩塔，可以削减设备成本。
[0010]如上所述，在二氧化碳分离回收系统具备使吸附材料与水蒸汽直接接触的方式的再生塔的情况下，在从再生塔排出的吸附材料上附着有冷凝水，因此为了使该冷凝水蒸发，而需要在再生塔的下游配备干燥塔。现有的一般的干燥塔形成为将干燥空气向材料吹出以此对材料进行干燥的结构。在将该一般的干燥塔用于二氧化碳分离回收系统的情况下，从干燥塔排出的吸附材料随着干燥而温度上升，因此为了冷却至适合于吸附塔中CO2吸附的吸附温度，而需要在干燥塔的下游配备冷却塔。
[0011]然而，以下示出的与干燥相关的基础事项是已知的。如图10中示出平均含水率和材料温度随时间变化的图表所示，在对充分浸湿的材料在稳定条件下进行干燥时，存在材料预热期间1、定率干燥期间II以及减率干燥期间III这三个期间。在定率干燥期间II中，发生从自由液面的蒸发，材料的水分量减少。在定率干燥期间II中，向材料流入的热量全部在水分蒸发中被消耗，因此材料温度大致保持一定，在热风干燥的情况下，材料的温度与所接触的热风的湿球温度一致。在减率干燥期间III中，发生在材料内部的水分蒸发和至材料表面的水分移动，材料的水分量减少变得缓慢。在进入减率干燥期间III时，材料温度上升，在材料内部产生温度分布。
[0012]发明人等基于与上述干燥相关的基础事项得出如下见解。S卩，在干燥塔中，如果通过规定温度的干燥用气体对吸附材料进行热风干燥，并在吸附材料的干燥程度进入减率干燥期间III之前、即、在吸附材料的含水率为极限含水率W。以上时结束干燥，则能够将吸附材料的温度冷却至适合0)2吸附的吸附温度或该吸附温度附近。S卩，无需在干燥塔的下游配备冷却塔，又，能够将从干燥塔排出的吸附材料原封不动地搬入至吸附塔，因此不需要贮槽。发明人等基于上述见解构思了本发明。
[0013]根据本发明的一种形态的二氧化碳分离回收系统是使用二氧化碳的吸附材料从含有二氧化碳的被处理气体中分离二氧化碳，且使吸附二氧化碳后的所述吸附材料再生的二氧化碳分离回收系统，具备:通过所述吸附材料吸附所述被处理气体中的二氧化碳，排出被去除二氧化碳的所述被处理气体的吸附塔；通过使脱附用水蒸汽冷凝于吸附了二氧化碳的所述吸附材料，以此使二氧化碳从所述吸附材料脱附的再生塔；和通过干燥用气体使脱附了二氧化碳的所述吸附材料中包含的冷凝水蒸发为水蒸汽，以此将所述吸附材料干燥至含水率达到极限含水率或其以上的规定值的干燥塔。
[0014]又，根据本发明的另一种形态的二氧化碳分离回收系统是使用二氧化碳的吸附材料从含有二氧化碳的被处理气体中分离二氧化碳，且使吸附二氧化碳后的所述吸附材料再生的二氧化碳分离回收系统，具备:通过所述吸附材料吸附所述被处理气体中的二氧化碳，排出被去除了二氧化碳的所述被处理气体的吸附塔；向所述吸附塔供给所述被处理气体的被处理气体供给单元；使脱附用水蒸汽冷凝于吸附了二氧化碳的所述吸附材料的再生塔；向所述再生塔供给所述脱附用水蒸汽的水蒸汽供给单元；回收在所述再生塔中从所述吸附材料脱附的二氧化碳的二氧化碳回收单元；通过干燥用气体使脱附了二氧化碳的所述吸附材料中包含的冷凝水蒸发为水蒸汽，以此将所述吸附材料干燥至含水率达到极限含水率或其以上的规定值的干燥塔；和向所述干燥塔供给所述干燥用气体的干燥用气体供给单元。
[0015]也可以是上述二氧化碳分离回收系统还具备:检测所述干燥塔内的所述吸附材料的温度的温度计；和干燥塔控制单元，所述干燥控制单元形成为如下结构:以使由所述温度计检测的温度达到与所述吸附材料的极限含水率相对应的温度的形式调节所述干燥用气体的供给流量、所述干燥用气体的温度以及所述吸附材料在所述干燥塔内的滞留时间中的至少一个。或者，上述二氧化碳分离回收系统也可以是，所述干燥塔为使所述吸附材料形成为移动床的移动床式，并且还具备:检测所述干燥塔的出口附近的所述吸附材料的温度的温度计；和干燥塔控制单元，所述干燥塔控制单元形成为如下结构:以使由所述温度计检测的温度达到与所述吸附材料的极限含水率相对应的温度的形式调节所述干燥用气体的供给流量、所述干燥用气体的温度以及所述吸附材料在所述干燥塔内的滞留时间中的至少一个。
[0016]也可以是上述二氧化碳分离回收系统还具备:检测从所述干燥塔排出的排气中的水分量的水分量计；和干燥塔控制单元，所述干燥塔控制单元形成为如下结构:以使由所述水分量计检测的水分量达到向所述再生塔供给的所述脱附用水蒸汽的水分量的形式调节所述干燥用气体的供给流量、所述干燥用气体的温度以及所述吸附材料在所述干燥塔内的滞留时间中的至少一个。
[0017]也可以是上述二氧化碳分离回收系统还具备:检测所述干燥塔内的所述吸附材料的含水率的含水率计；和干燥塔控制单元，所述干燥塔控制单元形成为如下结构:以使由所述含水率计检测的含水率达到极限含水率或其以上的规定值的形式调节所述干燥用气体的供给流量、所述干燥用气体的温度以及所述吸附材料在所述干燥塔内的滞留时间中的至少一个。或者，上述二氧化碳分离回收系统也可以是，所述干燥塔为使所述吸附材料形成为移动床的移动床式，并且还具备:检测所述干燥塔的出口附近的所述吸附材料的含水率的含水率计；和干燥塔控制单元，所述干燥塔控制单元形成为如下结构:以使由所述含水率计检测的含水率达到极限含水率或其以上的规定值的形式调节所述干燥用气体的供给流量、所述干燥用气体的温度以及所述吸附材料在所述干燥塔内的滞留时间中的至少一个。
[0018]根据上述二氧化碳分离回收系统，在再生塔中脱附CO2后的吸附材料的温度上升至用于脱附的水蒸汽的温度附近。在使该吸附材料在干燥塔中与干燥用气体接触时，随着附着于吸附材料的水分的蒸发而吸附材料被夺取热，吸附材料的温度降低至作为干燥用气体的湿球温度的吸附温度。吸附温度的吸附材料从干燥塔排出并在吸附塔内利用于0)2的吸附。在上述系统中，由干燥塔干燥后的吸附材料达到吸附温度，因此不需要用于将吸附材料冷却至吸附温度的设备(例如冷却塔)，能够将从干燥塔排出的吸附材料原封不动地搬入至吸附塔，因此不需要吸附材料的贮藏设备。因此，能够削减回收CO2和使吸附材料再生所需的设备成本和该设备的运行能量等，能够进一步削减回收CO2和使吸附材料再生所投入的能量。
[0019]也可以是在上述二氧化碳分离回收系统中，所述干燥用气体为所述被处理气体。在该情况下，上述二氧化碳分离回收系统还可以具备将