二氧化碳分離回收系統(tǒng)以及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及從燃煤排氣等含有二氧化碳(CO2)的被處理氣體中分離.回收0)2的技術(shù)。具體而言，使用固體吸附劑選擇性地分離被處理氣體中的C02，回收C02，并且將分離中利用過的固體吸附劑進行再生的二氧化碳分離回收系統(tǒng)以及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，從燃煤排氣等含有CO2的排氣中回收CO2的技術(shù)正處于研究中(例如專利文獻1、非專利文獻I)。在非專利文獻I中，示出物理吸附法.移動床循環(huán)再生方式的0)2回收成套設(shè)備。在該0)2回收成套設(shè)備中，使用固體吸附劑，從燃煤排氣中選擇性地分離C02，并回收被分離的CO2。
[0003]圖9是示出非專利文獻I的圖1記載的CO2回收成套設(shè)備的概略結(jié)構(gòu)的圖。該CO2回收成套設(shè)備具備:在垂直方向上直列配置的冷卻塔、吸附塔、濃縮塔、再生塔以及貯槽；和從IC槽向冷卻塔搬運吸附劑的斗式提升機(bucket eIevator )。在吸附塔、冷卻塔、再生塔以及貯槽內(nèi)分別填充有作為吸附劑的沸石。吸附劑從最上部的冷卻塔向位于最下部的貯槽依次移動，并且通過斗式提升機將吸附劑從最下部的貯槽向最上部的冷卻塔搬運。在塔槽類下部分別設(shè)置有閥，通過開閉這些閥，以此使吸附劑一批一批地向下方的塔槽移動。
[0004]在上述結(jié)構(gòu)的0)2回收成套設(shè)備中，燃煤排氣通過排氣鼓風機在冷卻裝置和除濕裝置的前處理工序中去除水分后，連續(xù)地導入至吸附塔下部。排氣中的CO2在吸附塔內(nèi)上升后被吸附劑吸附，被去除CO2的廢氣(off gas)從吸附塔的塔頂向系統(tǒng)外部排出。在濃縮塔中，從吸附了 0)2的吸附劑回收的0)2的一部分與吸附劑吸附的氮等一起被壓縮后從塔排出，作為產(chǎn)品氣體回收。在再生塔中，通過過熱蒸汽的供給和減壓，0)2從吸附劑脫附，該CO 2作為產(chǎn)品氣體回收。再生的吸附劑經(jīng)由貯槽以及斗式提升機向冷卻塔輸送，在被冷卻后，返回至吸附塔并進行再利用。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻:
專利文獻:
專利文獻1:日本特表2012-520766號公報。
[0006]非專利文獻:
非專利文獻1:化學工學論文集第28卷第5號(2002)“利用移動床循環(huán)方式從燃煤排氣中回收0)2的技術(shù)的適應性”從第636頁左欄倒數(shù)第四行至右欄第22行，乘京逸夫.大岸弘、2002年。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明要解決的問題:
在上述非專利文獻I記載的CO2回收成套設(shè)備的再生塔中，采用由殼管式(shell-and-tube)結(jié)構(gòu)進行的接觸傳熱方式。即，在再生塔的殼體側(cè)導入吸附劑，同樣地在管體側(cè)導入過熱水蒸汽，從而通過間接加熱方式使吸附劑的溫度上升。然而，從過熱水蒸汽得到的顯熱較小，又，從再生塔流出的水蒸汽的潛熱未被利用而丟棄。作為吸附劑的沸石是溫度越高，CO2吸附量越少。然而，再生后的吸附劑處于高溫(例如140°C)，因此不得不將吸附劑冷卻至規(guī)定的吸附溫度(例如40°C)以恢復吸附性能。因此，在再生塔的下游需要用于冷卻吸附劑的貯槽和冷卻塔。如上所述，在現(xiàn)有的0)2回收成套設(shè)備中還有節(jié)能化的余地，為了實現(xiàn)CO2回收技術(shù)的實用化，而理想的是進一步削減為回收CO 2所投入的能量。
[0008]本發(fā)明是鑒于上述問題而形成，其目的在于在使用含固體吸附劑的吸附材料選擇性地分離排氣中的(:02而回收CO 2的二氧化碳分離回收系統(tǒng)中，實現(xiàn)為CO 2回收和吸附材料再生所投入的能量的進一步削減。
[0009]解決問題的手段:
發(fā)明人等在開發(fā)二氧化碳回收系統(tǒng)時，為了使0)2從吸附材料脫附，采用使吸附材料與水蒸汽直接接觸而并非對吸附材料間接加熱的直接加熱方式。通過采用該方式，能夠在CO2的脫附中將水蒸汽的潛熱作為能量利用。水蒸汽的潛熱與水蒸汽的顯熱相比，從相同量的水分中能夠得到的能量更大，可以減少使CO2從吸附材料脫附所需的水分量。又，水蒸汽不從再生塔排出，因此可以抑制如以往未被利用而丟棄的水蒸汽能量的損失。此外，不需要用于使0)2濃度上升所需的濃縮塔，可以削減設(shè)備成本。
[0010]如上所述，在二氧化碳分離回收系統(tǒng)具備使吸附材料與水蒸汽直接接觸的方式的再生塔的情況下，在從再生塔排出的吸附材料上附著有冷凝水，因此為了使該冷凝水蒸發(fā)，而需要在再生塔的下游配備干燥塔?，F(xiàn)有的一般的干燥塔形成為將干燥空氣向材料吹出以此對材料進行干燥的結(jié)構(gòu)。在將該一般的干燥塔用于二氧化碳分離回收系統(tǒng)的情況下，從干燥塔排出的吸附材料隨著干燥而溫度上升，因此為了冷卻至適合于吸附塔中CO2吸附的吸附溫度，而需要在干燥塔的下游配備冷卻塔。
[0011]然而，以下示出的與干燥相關(guān)的基礎(chǔ)事項是已知的。如圖10中示出平均含水率和材料溫度隨時間變化的圖表所示，在對充分浸濕的材料在穩(wěn)定條件下進行干燥時，存在材料預熱期間1、定率干燥期間II以及減率干燥期間III這三個期間。在定率干燥期間II中，發(fā)生從自由液面的蒸發(fā)，材料的水分量減少。在定率干燥期間II中，向材料流入的熱量全部在水分蒸發(fā)中被消耗，因此材料溫度大致保持一定，在熱風干燥的情況下，材料的溫度與所接觸的熱風的濕球溫度一致。在減率干燥期間III中，發(fā)生在材料內(nèi)部的水分蒸發(fā)和至材料表面的水分移動，材料的水分量減少變得緩慢。在進入減率干燥期間III時，材料溫度上升，在材料內(nèi)部產(chǎn)生溫度分布。
[0012]發(fā)明人等基于與上述干燥相關(guān)的基礎(chǔ)事項得出如下見解。S卩，在干燥塔中，如果通過規(guī)定溫度的干燥用氣體對吸附材料進行熱風干燥，并在吸附材料的干燥程度進入減率干燥期間III之前、即、在吸附材料的含水率為極限含水率W。以上時結(jié)束干燥，則能夠?qū)⑽讲牧系臏囟壤鋮s至適合0)2吸附的吸附溫度或該吸附溫度附近。S卩，無需在干燥塔的下游配備冷卻塔，又，能夠?qū)母稍锼懦龅奈讲牧显獠粍拥匕崛胫廖剿?，因此不需要貯槽。發(fā)明人等基于上述見解構(gòu)思了本發(fā)明。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一種形態(tài)的二氧化碳分離回收系統(tǒng)是使用二氧化碳的吸附材料從含有二氧化碳的被處理氣體中分離二氧化碳，且使吸附二氧化碳后的所述吸附材料再生的二氧化碳分離回收系統(tǒng)，具備:通過所述吸附材料吸附所述被處理氣體中的二氧化碳，排出被去除二氧化碳的所述被處理氣體的吸附塔；通過使脫附用水蒸汽冷凝于吸附了二氧化碳的所述吸附材料，以此使二氧化碳從所述吸附材料脫附的再生塔；和通過干燥用氣體使脫附了二氧化碳的所述吸附材料中包含的冷凝水蒸發(fā)為水蒸汽，以此將所述吸附材料干燥至含水率達到極限含水率或其以上的規(guī)定值的干燥塔。
[0014]又，根據(jù)本發(fā)明的另一種形態(tài)的二氧化碳分離回收系統(tǒng)是使用二氧化碳的吸附材料從含有二氧化碳的被處理氣體中分離二氧化碳，且使吸附二氧化碳后的所述吸附材料再生的二氧化碳分離回收系統(tǒng)，具備:通過所述吸附材料吸附所述被處理氣體中的二氧化碳，排出被去除了二氧化碳的所述被處理氣體的吸附塔；向所述吸附塔供給所述被處理氣體的被處理氣體供給單元；使脫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；向所述再生塔供給所述脫附用水蒸汽的水蒸汽供給單元；回收在所述再生塔中從所述吸附材料脫附的二氧化碳的二氧化碳回收單元；通過干燥用氣體使脫附了二氧化碳的所述吸附材料中包含的冷凝水蒸發(fā)為水蒸汽，以此將所述吸附材料干燥至含水率達到極限含水率或其以上的規(guī)定值的干燥塔；和向所述干燥塔供給所述干燥用氣體的干燥用氣體供給單元。
[0015]也可以是上述二氧化碳分離回收系統(tǒng)還具備:檢測所述干燥塔內(nèi)的所述吸附材料的溫度的溫度計；和干燥塔控制單元，所述干燥控制單元形成為如下結(jié)構(gòu):以使由所述溫度計檢測的溫度達到與所述吸附材料的極限含水率相對應的溫度的形式調(diào)節(jié)所述干燥用氣體的供給流量、所述干燥用氣體的溫度以及所述吸附材料在所述干燥塔內(nèi)的滯留時間中的至少一個。或者，上述二氧化碳分離回收系統(tǒng)也可以是，所述干燥塔為使所述吸附材料形成為移動床的移動床式，并且還具備:檢測所述干燥塔的出口附近的所述吸附材料的溫度的溫度計；和干燥塔控制單元，所述干燥塔控制單元形成為如下結(jié)構(gòu):以使由所述溫度計檢測的溫度達到與所述吸附材料的極限含水率相對應的溫度的形式調(diào)節(jié)所述干燥用氣體的供給流量、所述干燥用氣體的溫度以及所述吸附材料在所述干燥塔內(nèi)的滯留時間中的至少一個。
[0016]也可以是上述二氧化碳分離回收系統(tǒng)還具備:檢測從所述干燥塔排出的排氣中的水分量的水分量計；和干燥塔控制單元，所述干燥塔控制單元形成為如下結(jié)構(gòu):以使由所述水分量計檢測的水分量達到向所述再生塔供給的所述脫附用水蒸汽的水分量的形式調(diào)節(jié)所述干燥用氣體的供給流量、所述干燥用氣體的溫度以及所述吸附材料在所述干燥塔內(nèi)的滯留時間中的至少一個。
[0017]也可以是上述二氧化碳分離回收系統(tǒng)還具備:檢測所述干燥塔內(nèi)的所述吸附材料的含水率的含水率計；和干燥塔控制單元，所述干燥塔控制單元形成為如下結(jié)構(gòu):以使由所述含水率計檢測的含水率達到極限含水率或其以上的規(guī)定值的形式調(diào)節(jié)所述干燥用氣體的供給流量、所述干燥用氣體的溫度以及所述吸附材料在所述干燥塔內(nèi)的滯留時間中的至少一個?；蛘?，上述二氧化碳分離回收系統(tǒng)也可以是，所述干燥塔為使所述吸附材料形成為移動床的移動床式，并且還具備:檢測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計；和干燥塔控制單元，所述干燥塔控制單元形成為如下結(jié)構(gòu):以使由所述含水率計檢測的含水率達到極限含水率或其以上的規(guī)定值的形式調(diào)節(jié)所述干燥用氣體的供給流量、所述干燥用氣體的溫度以及所述吸附材料在所述干燥塔內(nèi)的滯留時間中的至少一個。
[0018]根據(jù)上述二氧化碳分離回收系統(tǒng)，在再生塔中脫附CO2后的吸附材料的溫度上升至用于脫附的水蒸汽的溫度附近。在使該吸附材料在干燥塔中與干燥用氣體接觸時，隨著附著于吸附材料的水分的蒸發(fā)而吸附材料被奪取熱，吸附材料的溫度降低至作為干燥用氣體的濕球溫度的吸附溫度。吸附溫度的吸附材料從干燥塔排出并在吸附塔內(nèi)利用于0)2的吸附。在上述系統(tǒng)中，由干燥塔干燥后的吸附材料達到吸附溫度，因此不需要用于將吸附材料冷卻至吸附溫度的設(shè)備(例如冷卻塔)，能夠?qū)母稍锼懦龅奈讲牧显獠粍拥匕崛胫廖剿?，因此不需要吸附材料的貯藏設(shè)備。因此，能夠削減回收CO2和使吸附材料再生所需的設(shè)備成本和該設(shè)備的運行能量等，能夠進一步削減回收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離回收系統(tǒng)中，所述干燥用氣體為所述被處理氣體。在該情況下，上述二氧化碳分離回收系統(tǒng)還可以具備將