(57)【要約】【課題】排ガス中のＣＯ２（二酸化炭素）をＬＮＧ（液化天然ガス）の冷熱を有効に利用しながら除去する一方、熱交換器内でのＣＯ２の固化に起因する閉塞トラブルを回避する。【解決手段】熱交換器２１において排ガスとＬＮＧとを熱交換させることにより排ガスを冷却した後、ノズル３４を介して排ガスをディフューザ側に放出することにより断熱膨張させ、この膨張により排ガスの温度をＣＯ２の固化温度以下まで下げることにより、排ガス中のＣＯ２を固化（粉粒化）させて分離するようにした。【選択図】      図１
2004286348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を含むガス中の前記二酸化炭素を分離除去する方法であって、
二酸化炭素を含む対象ガスと低温液化ガスとを熱交換器において熱交換させることにより前記対象ガスを二酸化炭素の固化温度よりは高い特定の温度まで冷却した後、絞りを介して前記対象ガスを放出することにより断熱膨張させ、この膨張により前記対象ガスの温度を二酸化炭素の固化温度以下まで下げることにより、前記対象ガス中の二酸化炭素を固化させて分離することを特徴とする二酸化炭素の除去方法。
【請求項２】
二酸化炭素を含むガス中の前記二酸化炭素を分離除去する装置であって、
二酸化炭素を含む対象ガスと低温液化ガスとを熱交換させて前記対象ガスを冷却する熱交換器と、二酸化炭素の固化温度よりは高い特定の温度まで前記対象ガスが冷却され得るように前記対象ガス又は液化ガスの流量を含む前記熱交換器の運転条件を設定する手段と、熱交換後の対象ガスを断熱膨張させるための絞りと、この絞りを介して放出される対象ガスの温度が二酸化炭素の固化温度以下となるように前記対象ガスの圧力を調整する手段とを備えていることを特徴とする二酸化炭素の除去装置。
【請求項３】
請求項２に記載の二酸化炭素の除去装置において、
前記絞りの下流側にディフューザを備えていることを特徴とする二酸化炭素の除去装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の二酸化炭素の除去装置において、
前記絞りを介して放出される対象ガス中のガス成分と粉粒体成分とを旋回流の遠心力場を利用して分離するサイクロンを備えていることを特徴とする二酸化炭素の除去装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液化天然ガス（ＬＮＧ）受入基地での水素精製システム等に適した二酸化炭素の除去方法および同装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素の原料として天然ガスが注目を集めており、例えば液化天然ガス（以下、ＬＮＧという）受入基地に水素精製システムを設け、高純度の水素ガスを精製することが行われている。
【０００３】
図３は、そのような精製システムを系統図で示している。同図において、液化天然ガスタンク１０内には例えば輸送船で運び込まれたＬＮＧが貯溜されている。このＬＮＧが気化器１２に圧送され、海水等との熱交換により気化することにより、天然ガス（以下、ＮＧという）が生成される。ＮＧは基本的に発電所その他の燃料需要先へ送られるが、その一部は水素原料として水素ガス製造装置１４へ導入される。そして、この水素ガス製造装置１４において例えば水蒸気改質のプロセスと水素ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）のプロセスを経ることにより前記ＮＧから富水素ガスが生成され、さらにこの水素ガスが圧縮されることにより高純度の製品水素ガスが精製される。なお、このような水素製造プロセスについては特許文献１に開示されている。
【０００４】
そして、水素ガス製造装置１４からの排ガス、すなわち前記水素ＰＳＡのプロセスで副生される水素と二酸化炭素等との混合ガスが圧縮機１６を経てＣＯ２液化器１８に圧送され、ここでＬＮＧとの熱交換に供されることによりＣＯ２が液化分離され、残った水素ガスが再度水素ガス製造装置１４に導入される一方で、ＬＮＧが気化されて燃料需要先へ送られるように構成されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３２７３０７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような水素精製システムは、水素ガス製造装置１４で副生される排ガスをＣＯ２液化器１８においてＬＮＧと熱交換させ、これにより排ガス中のＣＯ２を液化させて分離する一方で、ＬＮＧを気化させてＮＧを生成する構成であるため、ＬＮＧの冷熱（気化潜熱）を有効利用した合理的なシステムといえる。
【０００７】
ところが、このシステムにおいては、上記ＣＯ２液化器１８が二重管構造の熱交換器から構成され、さらにＣＯ２を確実に分離するために排ガスをＣＯ２の固化温度ぎりぎりまで冷却するのが一般的であるため、過冷却が生じて排ガスに含まれるＣＯ２の一部が固化（ドライアイス化）して伝熱管に堆積し、その結果、ＣＯ２液化器１８が閉塞することがある。そのため、これを防止するために高い頻繁で保守点検作業を行ったり、あるいは複数のＣＯ２液化器１８を設けて定期的に使い分けることが要求されていた。
【０００８】
そこで、近年、係る問題を解決すべく、ＣＯ２液化器１８として図４に示すように上下方向に細長の三重管構造の熱交換器を用い、その中間部分からＬＮＧを最外側の通路１９ｃに導入し、この通路１９ｃに沿って流動（上昇）させながら気化させ、そのＮＧを管上端部で内側の通路１９ｂに導入して流下させる一方、最内側の通路１９ａに沿って排ガスを流下させながらこのＮＧと排ガスとを熱交換させることにより排ガス中のＣＯ２を液化させて分離することが考えられている。この手法によれば、例えば図５に示すように、−１５０°Ｃで通路１９ｃに導入されたＬＮＧは管上端部で−７５°ＣのＮＧとなり内側の通路１９ｂを流下する。そして通路１９ｂを流下する過程で、ＮＧと最外側の通路１９ｃを上昇するＬＮＧとの熱交換により該ＬＮＧを昇温させるとともに、ＮＧと最内側の通路１９ａを流下する排ガスとの熱交換により該排ガスを冷却する。これにより−１５０°Ｃで管内に導入されたＬＮＧは−６２°ＣのＮＧとして導出され、また４０°Ｃで管内に導入された排ガスは−５２°Ｃまで冷却された状態で導出されることとなる。つまり、ＬＮＧと排ガスとの間にＮＧを介在させてＬＮＧよりも温度の高いＮＧを冷媒として排ガスを冷却することにより排ガスの過冷却を防止し、これによってＣＯ２液化器１８の閉塞を防止しつつ排ガス中のＣＯ２を液化分離する一方、ＮＧを最適な温度で得ることが考えられている。
【０００９】
しかし、三重管構造の熱交換器を用いてＣＯ２を液化分離する上記の方法では、ＬＮＧよりも温度の高いＮＧを冷媒とするので、排ガス中のＣＯ２を完全に液化させて分離しようとすると伝熱管が長くなり、三重管構造である点と相俟って熱交換器自身が大型化するという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、排ガス中のＣＯ２をＬＮＧの冷熱を有効に利用しながら除去する一方で、熱交換器の大型化を伴うことなく熱交換器の閉塞トラブルを回避できるようにすることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、二酸化炭素を含むガス中の前記二酸化炭素を分離除去する方法であって、二酸化炭素を含む対象ガスと低温液化ガスとを熱交換器において熱交換させることにより前記対象ガスを二酸化炭素の固化温度よりは高い特定の温度まで冷却した後、絞りを介して前記対象ガスを放出することにより断熱膨張させ、この膨張により前記対象ガスの温度を二酸化炭素の固化温度以下まで下げることにより、前記対象ガス中の二酸化炭素を固化させて分離するようにしたものである。
【００１２】
このような方法によると、対象ガス中の二酸化炭素を分離する過程で対象ガスと液化ガスとを熱交換させて対象ガスを冷却するので、従来同様に、液化天然ガス等の液化ガスの冷熱を二酸化炭素の分離処理に有効活用することができる。
【００１３】
また、絞りを介して放出される際の対象ガスの温度降下を利用して二酸化炭素を固化させて分離するので（つまり、二酸化炭素を液化した状態で分離するわけではないので）、液化ガスとの熱交換段階で対象ガス中の二酸化炭素を完全に液化させる必要がなく、熱交換段階での対象ガスの温度をある程度高めに設定することができる。従って、従来のように必ずしも対象ガスを二酸化炭素の固化温度ぎりぎりまで冷却する必要がなくなり、熱交換器内での二酸化炭素の固化現象を有効に防止できるようになる。
【００１４】
一方、本発明に係る二酸化炭素の除去装置は、二酸化炭素を含むガス中の前記二酸化炭素を分離除去する装置であって、二酸化炭素を含む対象ガスと低温液化ガスとを熱交換させて前記対象ガスを冷却する熱交換器と、二酸化炭素の固化温度よりは高い特定の温度まで前記対象ガスが冷却され得るように前記対象ガス又は液化ガスの流量を含む前記熱交換器の運転条件を設定する手段と、熱交換後の対象ガスを断熱膨張させるための絞りと、この絞りを介して放出される対象ガスの温度が二酸化炭素の固化温度以下となるように前記対象ガスの圧力を調整する手段とを備えているものである。
【００１５】
この装置によると、二酸化炭素を含んだ対象ガスは、熱交換器において液化ガスとの熱交換に供されて冷却された後、絞りを介して放出されることにより断熱膨張する。この膨張により対象ガスの温度が二酸化炭素の固化温度以下まで下がり、対象ガス中の二酸化炭素が固化した状態（ドライアイスの粉粒状態）で対象ガスから分離除去される。
【００１６】
なお、この装置においては、前記絞りの下流側にディフューザを設け、放出後の対象ガスの圧力を適度に回復させるように構成してもよい。
【００１７】
これによれば、断熱膨張による対象ガスの圧力低下を必要最小限に抑えることが可能となり、例えば、二酸化炭素を分離した後の対象ガス中のガス成分を次工程で使用する場合等に有利となる。
【００１８】
また、上記の装置においては、絞りを介して放出される対象ガス中のガス成分と粉粒体成分とを旋回流の遠心力場を利用して分離するサイクロンを備えているのが好ましい。
【００１９】
この構成によると、固化した二酸化炭素（ドライアイス）と対象ガス中に含まれる気体成分とを効率良く分離、回収することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２１】
図１は本発明が適用される水素ガス精製システムを系統図で示している。なお、この水素ガス精製システムの基本的な構造は従来システムと共通するため、以下の説明において従来と共通する部分には同一符号を付している。
【００２２】
同図において、液化天然ガス（以下、ＬＮＧという）受入基地等に設けられるガスタンク１０内には輸送船で運び込まれたＬＮＧが貯溜されており、このＬＮＧが気化器１２に圧送され、海水等との熱交換により気化することにより、天然ガス（以下、ＮＧという）が生成される。
【００２３】
生成されたＮＧは発電所その他の燃料需要先へ送られるが、その一部は水素原料として水素ガス製造装置１４へ導入される。そして、この水素ガス製造装置１４において、水蒸気改質のプロセスと水素ＰＳＡのプロセスを経ることにより前記ＮＧから富水素ガスが生成され、さらにこの水素ガスが圧縮されることにより高純度の製品水素ガスが精製されるようになっている。
【００２４】
なお、水素ガス製造装置１４で副生される排ガス（対象ガス）、すなわち水素ＰＳＡのプロセスで副生される水素と二酸化炭素との混合ガスは圧縮機１６を経てＣＯ２固化器２０に圧送され、ここでＬＮＧとの熱交換等を経てＣＯ２が固体の状態、つまりドライアイスの粉粒状態で分離されるようになっている。なお、ＣＯ２分離後、残った水素ガスは製品水素ガスとして取り出され、さらに排ガスとの熱交換により生成されたＮＧは燃料需要先へ送られるように構成されている。
【００２５】
図２は、この水素ガス精製システムに適用されるＣＯ２固化器２０（本発明に係る二酸化炭素の除去装置）を概略的に示している。
【００２６】
この図に示すように、ＣＯ２固化器２０は、上下方向に細長の二重管構造を有する熱交換器２１を有している。この熱交換器２１には、その下部に外管側流体入口２６および内管側流体出口３２が設けられる一方、上部に外管側流体出口２８および内管側流体入口３０が設けられている。そして、ガスタンク１０から導出されるＬＮＧが外管側流体入口２６から熱交換器２１の内管と外管との間（外側通路２２という）に導入される一方で、圧縮機１６を経て圧縮された排ガスが内管側流体入口３０から熱交換器２１の内管（内側通路２４という）に導入されるようになっている。
【００２７】
熱交換器２１の前記内管側流体出口３２には、先細りノズル３４（絞り）が設けられており、ＬＮＧとの熱交換に供された後の排ガスがこのノズル３４を介して熱交換器外部（後記ディフューザ側）に放出されるようになっている。
【００２８】
なお、前記内管側流体出口３２の末端部分（ノズル３４の下流側）にはディフューザ３６が設けられ、さらに、このディフューザ３６の末端部分にサイクロン４０、つまりディフューザ３６を通じて放出される排ガス中の粉粒成分とガス成分とを旋回流の遠心力場を利用して分離する分離装置が連結されている。
【００２９】
上記のようなＣＯ２固化器２０では、水素ガス製造装置１４において副生された排ガスは前記内管側流体入口３０から熱交換器２１の内側通路２４に導入される。そして、この内側通路２４に沿って流下しつつ、前記外管側流体入口２６から外側通路２２に導入されるＬＮＧとの熱交換により冷却された後、内管側流体出口３２に案内されてノズル３４からディフューザ側に放出される。
【００３０】
この際、前記熱交換器２１においては、排ガスがＣＯ２の固化温度（−５６°Ｃ）よりも高い特定の温度まで冷却されるように図外の流量制御装置等によって熱交換器２１におけるＬＮＧ又は排ガスの流量等の運転条件が設定制御され、また、ノズル上流側における排ガスの圧力Ｐ０がノズル下流側の外圧（背圧）、すなわちディフューザ側の圧力Ｐ１との関係で、Ｐ１／Ｐ０＝Ｐ２／Ｐ０（Ｐ２＝臨界圧力）又はＰ１／Ｐ０＞Ｐ２／Ｐ０となるように圧縮機１６によりその圧力が調整される。これにより排ガスは、まずＬＮＧとの熱交換により−５６°Ｃよりも若干高い温度まで冷却された後、ノズル３４から放出されることにより断熱膨張し、この膨張により例えば−９５°Ｃ前後まで温度を下げる。その結果、ディフューザ側に放出される排ガス成分のうちＣＯ２が一気に固化し、いわゆるドライアイスの状態でサイクロン４０に導入される。一方、排ガス中の残りの成分である水素（沸点温度：約−２５３°Ｃ）は、ガス状態のままでサイクロン４０に導入されることとなる。
【００３１】
こうして排ガス成分のうちＣＯ２がドライアイスの粉粒状態でサイクロン下側の粉粒体出口４２を通じて回収される一方、水素がガス状態でサイクロン上側の気体出口４４を通じて回収されるようになっている。
【００３２】
以上のように、この水素ガス精製システムに適用されるＣＯ２固化器２０によれば、排ガス中のＣＯ２を分離する過程で排ガスとＬＮＧとを熱交換させて排ガスを冷却するので、従来と同様に、ＬＮＧの冷熱を排ガスからのＣＯ２の分離処理に有効に活用することができる。
【００３３】
しかも、ノズル３４を介して放出される際の排ガスの温度降下を利用してＣＯ２を固化させた状態で分離するので（つまり、二酸化炭素を液化した状態で分離するわけではないので）、ＬＮＧとの熱交換段階では排ガスの温度をある程度高めに設定することができ、必ずしも従来のようにＣＯ２の固化温度（−５６°Ｃ）ぎりぎりまで排ガスを冷却する必要がない。そのため、上記のような二重管構造のシンプルな熱交換器２１を用いながらも、熱交換器内でのＣＯ２の固化現象を有効に防止することができる。なお、排ガス中のＣＯ２は、ノズル３４からの放出（膨張噴出）中に粉粒状となり、その際の噴出速度も上記圧力条件の下では臨界速度（音速）に達するため、ＣＯ２が内管側流体出口３２やディフューザ３６に付着することもない。
【００３４】
従って、上記のようなＣＯ２固化器２０によれば、排ガス中のＣＯ２が熱交換器内で固化してＣＯ２固化器２０が閉塞するといったトラブルの発生を、熱交換器の大型化等を伴うことなく良好に回避できる。そして、このように熱交換器の閉塞トラブルを回避できるようになる結果、当該トラブルを防止すべく従来要求されていた保守点検作業の頻度を低減することができるという効果がある。
【００３５】
さらに、このＣＯ２固化器２０では、ディフューザ３６を設けてノズル３４から放出される排ガスの圧力を適度に回復させ得るように構成されているので、断熱膨張による温度降下を利用してＣＯ２を固化させる一方で、この膨張による圧力降下を必要最小限に抑えて動力を節減することができるという効果もある。
【００３６】
すなわち、排ガス中のＣＯ２を固化分離するだけであればディフューザ３６を省略しても構わない。しかし、この場合には断熱膨張による排ガスの圧力降下分だけ回収される水素ガスの圧力も低くなる。そのため、その圧力が製品圧力よりも低い場合には、回収した水素ガスを再度製品圧力まで圧縮する必要があり余分な動力が必要となる。これに対して、上記のようにディフューザ３６を設けて排ガスの圧力回復を起こさせるようにしておけば、断熱膨張による排ガスの圧力降下を必要最小限に抑えることが可能となる。従って、最終的に回収した水素ガスを最小限の動力で製品圧力まで圧縮することができ、これにより動力の節減効果を得ることができる。
【００３７】
なお、ディフューザ３６は、上記のようにＣＯ２分離後の水素ガスの圧力を確保する必要がある場合に設ければよく、特にその必要がない場合には省略してＣＯ２固化器２０の構成を簡略化してもよい。
【００３８】
また、この実施形態では、本発明を水素ガス精製システムに適用した例について説明したが、勿論、本発明はこれ以外のプラントにも適用可能である。従って、対象ガスを冷却する冷媒としての低温液化ガスも液化天然ガスに限られるものではなく、可能な場合には、例えば液体窒素や液体酸素を適用することも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の二酸化炭素の分離方法（分離装置）によると、対象ガスから二酸化炭素を分離する過程で該対象ガスを低温液化ガスと熱交換させて冷却するので、液化天然ガス等の液化ガスの冷熱を二酸化炭素の分離処理において有効活用することができる。その上、対象ガスの断熱膨張による温度降下を利用して二酸化炭素を固化させて分離するので、液化ガスとの熱交換段階での対象ガスの温度をある程度高めに設定することができる。従って、従来のように熱交換段階で必ずしも対象ガスを二酸化炭素の固化温度ぎりぎりまで冷却する必要がなくなり、これにより対象ガス中の二酸化炭素が熱交換器内で固化して装置が閉塞するといったトラブルの発生を、熱交換器の大型化等を伴うことなく良好に回避できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される水素ガス精製システムを示す系統図である。
【図２】水素ガス精製システムに適用されるＣＯ２固化器（本発明にかかる二酸化炭素除去装置）を示す概略図である。
【図３】従来の水素ガス精製システムを示す系統図である。
【図４】水素ガス精製システムに適用されるＣＯ２液化器の一例を示す概略図である。
【図５】図４に示すＣＯ２液化器内のＬＮＧ（液化天然ガス）、ＮＧ（天然ガス）および排ガスの温度分布を説明する図である。
【符号の説明】
１０  ガスタンク
１２  気化器
１４  水素ガス製造装置
１６  圧縮機
２０  ＣＯ２固化器
２１  熱交換器
３４  先細りノズル（絞り）
３６  ディフューザ
４０  サイクロン
【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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