(57)【要約】【課題】排ガスから有害ガス成分を効率よく除去し、かつ、二酸化炭素を効率よく回収することができる排ガスの処理システムを提供する。【解決手段】排ガスを冷却媒体に流通させ、二酸化炭素を固化させないが窒素酸化物及び硫黄酸化物を液化または固化させる温度に冷却することにより排ガスに有害ガス成分として含まれる窒素酸化物及び硫黄酸化物を液化または固化させて前記排ガスから分離し、前記分離後の排ガスを二酸化炭素分離装置３０の耐圧容器３１０に流通させて二酸化炭素を冷却固化し、固化した二酸化炭素を昇温させて気化させ、二酸化炭素が気化することによる耐圧容器３１０内部の圧力上昇により二酸化炭素を液化し、液化した二酸化炭素を耐圧容器３１０の外に排出するようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスを冷却媒体に流通させ、二酸化炭素を固化させないが窒素酸化物及び硫黄酸化物を液化または固化させる温度に冷却することにより前記排ガスに有害ガス成分として含まれる窒素酸化物及び硫黄酸化物を液化または固化させて前記排ガスから分離する第１の装置と、
窒素酸化物及び硫黄酸化物を分離した後の前記排ガスを耐圧容器に流通させて前記二酸化炭素を冷却固化し、前記耐圧容器を密閉し、前記固化した二酸化炭素を昇温させて気化させ、前記二酸化炭素が気化することによる前記耐圧容器内部の圧力上昇により前記二酸化炭素を液化し、液化した前記二酸化炭素を前記耐圧容器の外に排出する第２の装置と、
を備えることを特徴とする排ガスの処理システム。
【請求項２】
請求項１に記載の排ガスの処理システムであって、
前記第１の装置により前記排ガスから分離される前記有害ガス成分を、前記有害ガス成分に含まれる前記冷却媒体については気化させるが前記有害ガス成分については気化させない温度に昇温することにより前記有害ガス成分と前記冷却媒体とを分離する装置を含むこと、
を特徴とする排ガスの処理システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の排ガスの処理システムであって、
前記第１の装置により前記排ガスから分離される前記有害ガス成分を、硫黄酸化物は気化させるが窒素酸化物は気化させない温度に昇温することにより前記有害ガス成分に含まれる硫黄酸化物と窒素酸化物とを分離する装置を含むこと、
を特徴とする排ガスの処理システム。
【請求項４】
ＬＮＧ焚きボイラから排出される排ガスを冷却媒体に流通させて、二酸化炭素を固化させないが窒素酸化物を液化または固化させる温度に冷却することにより前記排ガスに有害ガス成分として含まれる窒素酸化物を液化または固化させて前記排ガスから分離するプロセスを行う第１の装置と、
窒素酸化物を分離した後の前記排ガスを耐圧容器に流通させて前記二酸化炭素を冷却固化し、前記耐圧容器を密閉し、前記固化した二酸化炭素を昇温させて気化させ、前記二酸化炭素が気化することによる前記耐圧容器内部の圧力上昇により前記二酸化炭素を液化し、液化した前記二酸化炭素を前記耐圧容器の外に排出する第２の装置と、
を備えることを特徴とする排ガスの処理システム。
【請求項５】
請求項４に記載の排ガスの処理システムにおいて、
前記第１の装置により固化された前記窒素酸化物を固液分離装置に導くことにより、前記窒素酸化物と前記冷却媒体とを分離する装置を含むこと、
を特徴とする排ガスの処理システム。
【請求項６】
請求項５に記載の排ガスの処理システムにおいて、
前記固液分離装置により分離された液体を、前記冷却媒体は気化させるが前記有害ガス成分は気化させない温度に昇温することにより前記冷却媒体を分離する装置を含むこと、
を特徴とする排ガスの処理システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の排ガスの処理システムにおいて、
前記冷却媒体は、ジメチルエーテル、メタノール、エタノール、トルエン、エチルベンゼンのいずれかを含むこと、
を特徴とする排ガスの処理システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の排ガスの処理システムであって、
前記第２の装置による前記二酸化炭素の前記冷却固化は、前記二酸化炭素を含んだガスを、前記耐圧容器内に設けられ内部に冷媒が流通される冷媒流通管の外面に接触させることにより行われること、
を特徴とする排ガスの処理システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の排ガスの処理システムであって、
前記冷媒流通管は蛇行させて設けられていること、
を特徴とする排ガスの処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガスの処理システムに関し、とくに石炭焚きボイラ、製鉄所における高炉、コークス炉、転炉、ＬＮＧ焚きボイラ等から排出される排ガスに含まれる有害ガス成分を効率よく除去し、かつ、二酸化炭素を効率よく回収するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電所や化学プラント等における石炭焚きボイラ、製鉄所における高炉、コークス炉、転炉、ＬＮＧ焚きボイラ等から排出される排ガス中に含まれる硫黄酸化物、窒素酸化物等の有害ガス成分は、例えば、湿式脱硫処理装置や脱硝触媒による脱硝処理装置等を用いて分離・除去されている。また、より効率の高い有害ガス成分の分離・除去方法として、活性炭を用いる、いわゆる物理吸着法が知られている。
【０００３】
他方、昨今では大気中の二酸化炭素量が増加し、温室効果と呼ばれている大気温度の上昇との関係が問題となってきている。二酸化炭素発生量の増加の原因は、化石燃料の燃焼により生ずるものが大半である。このため、発電所や化学プラント等においては、環境面から、排ガス中に含まれる二酸化炭素をなるべく大気中に排出させないようにすることが求められている。
【特許文献１】特開２０００−３１７３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような中で、例えば石炭焚きボイラ、製鉄所における高炉、コークス炉、転炉等から排出される排ガスの処理に関しては、窒素酸化物や硫黄酸化物等の有害ガス成分を効率よく除去するとともに、二酸化炭素については効率よく回収する必要があり、有害ガス成分の除去と二酸化炭素の回収とを一連の処理として効率よく連続的に行うことができる排ガスの処理システムが必要とされている。
【０００５】
また例えばＬＮＧ焚きボイラ等から排出される排ガスの処理に関しては、窒素酸化物等の有害ガス成分を効率よく除去するとともに、二酸化炭素についても効率よく回収する必要があり、有害ガス成分の除去と二酸化炭素の回収とを一連の処理として効率よく連続的に行うための仕組みが必要とされている。
【０００６】
この発明はこのような背景に鑑みてなされたもので、排ガスから有害ガス成分を効率よく除去し、かつ、二酸化炭素を効率よく回収することができる排ガスの処理システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１にかかる発明は、排ガスの処理システムであって、排ガスを冷却媒体に流通させ、二酸化炭素を固化させないが窒素酸化物及び硫黄酸化物を液化または固化させる温度に冷却することにより前記排ガスに有害ガス成分として含まれる窒素酸化物及び硫黄酸化物を液化または固化させて前記排ガスから分離する第１の装置と、窒素酸化物及び硫黄酸化物を分離した後の前記排ガスを耐圧容器に流通させて前記二酸化炭素を冷却固化し、前記耐圧容器を密閉し、前記固化した二酸化炭素を昇温させて気化させ、前記二酸化炭素が気化することによる前記耐圧容器内部の圧力上昇により前記二酸化炭素を液化し、液化した前記二酸化炭素を前記耐圧容器の外に排出する第２の装置と、を備えることとする。
【０００８】
このように本発明では第１の装置において有害ガス成分を含んだ排ガスを、二酸化炭素を固化させないが窒素酸化物及び硫黄酸化物を液化または固化させる温度に冷却することにより、排ガスに含まれる窒素酸化物及び硫黄酸化物を液化または固化させて分離するようにしている。このため第１の装置では排ガスに含まれる二酸化炭素については分離されず、排ガス中に二酸化炭素が残留することとなり、第２の装置において確実に二酸化炭素を回収することができる。また第２の装置によれば、二酸化炭素の固化及び液化を同じ耐圧容器内で行うことができる。また本発明の排ガス処理システムによれば単純な装置で排ガスから二酸化炭素を分離することができ、低コストで効率よく確実に排ガスから二酸化炭素を回収する仕組みを実現できる。また特別な液化装置を用いることなく、二酸化炭素を運搬や貯留に便利な液体として排出することができる。従って本発明の排ガス処理システムによれば、窒素酸化物や硫黄酸化物等の有害ガス成分を含んだ排ガスについて、有害ガス成分を除去しつつ二酸化炭素を効率よく確実に回収することができる。
【０００９】
本発明の請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の排ガスの処理システムであって、前記第１の装置により前記排ガスから分離される前記有害ガス成分を、前記有害ガス成分に含まれる前記冷却媒体については気化させるが前記有害ガス成分については気化させない温度に昇温することにより前記有害ガス成分と前記冷却媒体とを分離する装置を含むこととする。  
これにより前記有害ガス成分から確実に冷却媒体を回収することが可能となり、これにより冷却媒体を有効に利用することができる。
【００１０】
本発明の請求項３にかかる発明は、請求項１または２に記載の排ガスの処理システムであって、前記第１の装置により前記排ガスから分離される前記有害ガス成分を、硫黄酸化物は気化させるが窒素酸化物は気化させない温度に昇温することにより前記有害ガス成分に含まれる硫黄酸化物と窒素酸化物とを分離する装置を含むこととする。  
これにより前記有害ガス成分に含まれる窒素酸化物を排ガスから分離することができ、前記有害ガス成分に含まれる硫黄酸化物と窒素酸化物とを分離することができる。
【００１１】
本発明の請求項４にかかる発明は、排ガスの処理システムであって、ＬＮＧ焚きボイラから排出される排ガスを冷却媒体に流通させて、二酸化炭素を固化させないが窒素酸化物を液化または固化させる温度に冷却することにより前記排ガスに有害ガス成分として含まれる窒素酸化物を液化または固化させて前記排ガスから分離するプロセスを行う第１の装置と、窒素酸化物を分離した後の前記排ガスを耐圧容器に流通させて前記二酸化炭素を冷却固化し、前記耐圧容器を密閉し、前記固化した二酸化炭素を昇温させて気化させ、前記二酸化炭素が気化することによる前記耐圧容器内部の圧力上昇により前記二酸化炭素を液化し、液化した前記二酸化炭素を前記耐圧容器の外に排出する第２の装置と、を備えることとする。
【００１２】
このように本発明では第１の装置においてＬＮＧ焚きボイラから排出される排ガスを二酸化炭素を固化させないが窒素酸化物を液化または固化させる第１の温度に冷却することにより窒素酸化物を液化または固化させるようにしている。このため、第１の装置では排ガスに含まれる二酸化炭素については分離されず、排ガスに二酸化炭素が残留することとなり、第２の装置において効率よく確実に二酸化炭素を回収することができる。また第２の装置によれば二酸化炭素の固化及び液化を同じ耐圧容器内で行うことができる。また本発明の排ガス処理システムによれば単純な装置で排ガスから二酸化炭素を分離することができ、低コストで効率よく確実に排ガスから二酸化炭素を回収する仕組みを実現することができる。また特別な液化装置を用いることなく、二酸化炭素を運搬や貯留に便利な液体として排出することができる。従って本発明の排ガス処理システムによれば、窒素酸化物等の有害ガス成分を含んだ排ガスについて、有害ガス成分を除去しつつ二酸化炭素を効率よく回収することができる。
【００１３】
本発明の請求項５にかかる発明は、請求項４に記載の排ガスの処理システムにおいて、前記第１の装置により固化された前記窒素酸化物を固液分離装置に導くことにより、前記窒素酸化物と前記冷却媒体とを分離する装置を含むこととする。  
これにより前記有害ガス成分とこれに混在する前記冷却媒体とを効率よく確実に分離することができる。
【００１４】
本発明の請求項６にかかる発明は、請求項５に記載の排ガスの処理システムにおいて、前記固液分離装置により分離された液体を、前記冷却媒体は気化させるが前記有害ガス成分は気化させない温度に昇温することにより前記冷却媒体を分離する装置を含むこととする。  
これにより前記冷却媒体を効率よく回収することが可能となり、冷却媒体が有効に利用されることとなる。
【００１５】
本発明の請求項７にかかる発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の排ガスの処理システムにおいて、前記冷却媒体は、ジメチルエーテル、メタノール、エタノール、トルエン、エチルベンゼンのいずれかを含むこととする。  
液化又は固化した有害ガス成分と冷却媒体とを分離するためには、上記冷却媒体として有害ガス成分を液化又は固化させる温度においても冷却媒体自身が固化してしまわない性質であることが要求される。また冷却媒体によって効率よく有害ガス成分を液化または固化させるべく、冷却媒体としては有害ガス成分を吸収しやすい性質であることが求められる。さらに排ガスに含まれる二酸化炭素を効率よく回収するために、上記冷却媒体は二酸化炭素を吸収しにくい性質であることも必要である。ジメチルエーテル、メタノール、エタノール、トルエン、エチルベンゼンは、いずれもこのような条件を満たしている。
【００１６】
本発明の請求項８にかかる発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の排ガスの処理システムであって、前記第２の装置による前記二酸化炭素の前記冷却固化は、前記二酸化炭素を含んだガスを、前記耐圧容器内に設けられ内部に冷媒が流通される冷媒流通管の外面に接触させることにより行われることとする。  
このようにすることで、ドライアイスは冷媒流通管の外面に析出することとなり、伝熱管の管路が閉塞されることもなく、連続運転や自動運転を容易に実施することができる。
【００１７】
本発明の請求項９にかかる発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の二酸化炭素の分離方法であって、前記冷媒流通管は蛇行させて設けられていることとする。  
このように冷媒流通管を蛇行させて設けることで、ガスと冷媒流通管の接触面積を十分に確保することができ、二酸化炭素を効率よく固化させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、排ガスから有害ガス成分を効率よく除去し、かつ、二酸化炭素を効率よく回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態につき図面とともに詳細に説明する。
【００２０】
＜＜実施例１＞＞
図１に本発明の第１実施形態として説明する排ガス処理システムの概略的な構成を示している。この排ガス処理システムによれば、発電所や化学プラント等における、石炭焚きボイラ・重油焚きボイラ、製鉄所における高炉、コークス炉、転炉等の排ガス発生源１０から排出される窒素酸化物や硫黄酸化物等の有害ガス成分を含んだ排ガスについて、当該排ガスに含まれる水分や有害ガス成分を効率よく確実に除去するとともに、排ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ２）を効率よく確実に回収することができる。
【００２１】
本実施形態の排ガス処理システムは、まず前プロセスとして、排ガス発生源１０から排出される窒素酸化物や硫黄酸化物等の有害ガス成分を含んだ排ガスを、熱交換器１１及び凝縮器（コンデンサ）１３に収容される工業用水に導入することにより室温程度に冷却する。次に第１のプロセスとして室温程度に冷却された排ガスを、脱水塔１７において二酸化炭素を固化させない第１の温度に冷却することにより、排ガスに含まれる水分、窒素酸化物、及び硫黄酸化物を液化または固化させて、これらを排ガスから分離する。さらに第２のプロセスとして、水分、窒素酸化物、及び硫黄酸化物を分離した前記排ガスを二酸化炭素分離装置３０に導入し、ここで排ガス中に含まれている二酸化炭素を冷却固化させて分離するとともに、分離した二酸化炭素を液化して排出する。
【００２２】
上記第１のプロセスにおいて分離される有害ガス成分には、上記冷却媒体が混在しているが、本システムでは、冷却媒体及び有害ガス成分の気化温度差を利用する蒸発法により有害ガス成分と冷却媒体とを分離して回収し、回収した冷却媒体を再び冷却媒体として循環させて用いることで冷却媒体の有効利用を図っている。なお、蒸発法では加熱エネルギーが必要であるが、冷却媒体として沸点の低いものを採用することによって加熱エネルギーを削減することができる。
【００２３】
上記第２のプロセスにおいて排ガスに含まれる二酸化炭素を効率よく回収するためには、水分や有害ガス成分を液化もしくは固化させる際に、二酸化炭素が液化又は固化してしまわないようにすることが必要である。ここで火力発電所排ガス中の二酸化炭素は、所定の温度以下でドライアイスとなる。そこで、二酸化炭素を固化させてしまわないようにするために、脱水塔１７出口のガス温度は上記所定温度よりも高温とする。
【００２４】
上記第１のプロセスにおいて、液化又は固化した有害ガス成分と冷却媒体とを分離するためには、上記冷却媒体は有害ガス成分を液化又は固化させる温度においても固化しない性質であることが必要である。また有害ガス成分を効率よく液化または固化させるべく、上記冷却媒体は有害ガス成分を吸収しやすい性質を有している必要がある。さらに、排ガスに含まれる二酸化炭素を効率よく上記第２のプロセスで回収すべく、上記冷却媒体には二酸化炭素が溶けにくい性質である必要がある。
【００２５】
これらの要求を満たす物質としては、例えばジメチルエーテル（以下、ＤＭＥと称する）、無機塩類（塩化ナトリウム、塩化カリウム等）、臭素化合物（臭化リチウム、臭化ブロム等）、エーテル類（ジメチルエーテル、メチルエーテル等）、アルコール類（メタノール、エタノール等）、シリコンオイル類、パラフィン系炭化水素（プロパン、正ブタン等）、オレフィン系炭化水素、トルエン、エチルベンゼン、等がある。なお、冷却媒体から液化もしくは固化した有害ガス成分を分離するためには、冷却媒体と有害ガス成分との沸点差が大きい方が有利である。このような観点から、上記冷媒としてはエーテル類、アルコール類が好適である。
【００２６】
図２は二酸化炭素濃度が１０％の模擬ガスをＤＭＥに流通させた場合における、模擬ガス中の二酸化炭素の濃度変化を示している。模擬ガス中の二酸化炭素の濃度は、模擬ガスのＤＭＥへの流通開始時は模擬ガスがＤＭＥに溶け込むために一時的に低下するが、その後は時間とともに次第にＤＭＥに流通させる前の濃度（１０％）に近づく。これはＤＭＥ中の二酸化炭素が飽和状態になるとそれ以上ＤＭＥ中に二酸化炭素が溶けにくくなるからである。なお、ＤＭＥが窒素酸化物や硫黄酸化物等の有害ガス成分を吸収しやすいことを確認すべく、本発明者らは有害ガス成分を含んだ模擬ガス（二酸化窒素：６０ｐｐｍ、二酸化硫黄：８０ｐｐｍ、アンモニア：１０ｐｐｍ）をＤＭＥ中に流通させる試験を行った。その結果、流通開始後、１時間ほどで模擬ガス中の有害ガス成分が全て１ｐｐｍ以下になることが確認できた。
【００２７】
次にこの排ガスの処理システムの具体的な処理プロセスについて順に説明する。まず前プロセスにおいて、石炭焚きボイラや重油焚きボイラ、製鉄所における高炉、コークス炉、転炉等の排ガス発生源１０から排出される、窒素酸化物や硫黄酸化物等の有害ガス成分を含む排ガスが、熱交換器１１に導入される。熱交換器１１には海水ポンプ１２によって供給される海水（例えば２５℃）、及び、冷凍器４０から循環供給されるエチレングリコール等の冷媒が導かれている。排ガス発生源１０から導かれる排ガス（例えば５５℃）は、熱交換器１１を通過することにより上記海水及び冷媒によって室温程度に冷却される。
【００２８】
冷却された排ガスは、次に凝縮器（コンデンサ）１３に導かれる。凝縮器１３において、排ガスは当該凝縮器１３に収容されている工業用水に導入される。これにより当該排ガスに含まれている水分、有害ガス成分、煤塵等が除去される。排ガスから除去された水分、有害ガス成分、煤塵等を含んだ液化水は、排水槽１４に貯留された後、排水ポンプ１５により排水処理装置５０に導かれる。そして凝縮器１３を通過した排ガスは、排ガスファン１６によって脱水塔１７へと導かれる。なお、凝縮器１３における工業用水との熱交換により排ガスは室温程度から例えば５℃にまで冷却される。
【００２９】
脱水塔１７では、排ガスについて脱水（除湿）及び有害ガス成分の除去が行われる。なお、排ガス中の水分を脱水することで、後に行われる排ガス中の二酸化炭素の回収プロセスにおいて、二酸化炭素を効率よく回収することができる。
【００３０】
脱水塔１７において、排ガスは脱水塔１７の下方側から導入される。脱水塔１７に導入された排ガス（例えば５℃）は、脱水塔１７内に満たされているＤＭＥにバブリング方式により流通される。そしてＤＭＥと熱交換することにより排ガスは冷却される。このときの冷却温度は、排ガス中の水分や窒素酸化物、硫黄酸化物等の有害ガス成分については液化もしくは固化させるが、二酸化炭素については固化させない温度である。このような温度に排ガスを冷却することで、有害ガス成分については液化または固化されて排ガスから分離されるが、二酸化炭素については気体のまま排ガス中に残留することになる。
【００３１】
脱水塔１７内のＤＭＥは、ＤＭＥ冷却塔１８から循環的に供給される。ＤＭＥ冷却塔１８には、冷凍機４０で冷却された冷媒（液体窒素）が、循環ポンプ１９により循環的に供給される。ＤＭＥ冷却塔１８において、ＤＭＥは前記冷媒と熱交換することにより冷却される。
【００３２】
脱水塔１７において排ガスが流通されたＤＭＥは、ＤＭＥ分離塔２０へと導かれる。このＤＭＥは液化または固化した水分及び有害ガス成分を含んでいる。ＤＭＥ分離塔２０に導かれたＤＭＥはここで海水と間接的に熱交換されて昇温される（例えば−２０℃）。この温度において、水分及び有害ガス成分は液体または固体であり、ＤＭＥは気体となる。このため、ＤＭＥはＤＭＥ分離塔２０の上方に浮上して他成分と分離される。浮上したＤＭＥは、ＤＭＥ分離塔２０の上方から回収され、ＤＭＥ冷却塔１８に導かれた後、さらに脱水塔１７に導かれる。ＤＭＥはこのようにして循環させて再利用され、これにより系全体として冷却媒体が効率よく利用されることになる。
【００３３】
次にＤＭＥ分離塔２０内に残留した水分（液体または固体）及び有害ガス成分は、輸送ポンプ２１により成分分離塔２２に導かれる。ここで水分及び有害ガス成分は、海水と間接的に熱交換されて昇温される（例えば５℃）。この温度において、水分及び二酸化窒素は液体であり、二酸化硫黄は気体となる。昇温されて気体となった二酸化硫黄は成分分離塔２２の上方から排出された後、熱交換器１１へと導かれ、排ガス発生源１０から導かれる排ガス（例えば５５℃）を冷却するための冷媒として利用される。このように二酸化硫黄が冷媒として利用されることで、系全体としてのエネルギー消費量が抑えられることになる。
【００３４】
冷媒として利用された後の排ガスは、熱交換器１１で熱交換されて例えば４５℃に昇温され、その後は煙突５１に導かれて系外に排出される。また成分分離塔２２内に残留する二酸化硫黄以外の液化水や二酸化窒素等の有害ガス成分は、排水処理装置５０へと導かれる。
【００３５】
脱水塔１７の上方に浮上してくる二酸化炭素を含んだ排ガスは、リバーシブル熱交換器２３へと導かれる。脱水塔１７からリバーシブル熱交換器２３に導かれた排ガスは、ここで冷却された後、二酸化炭素分離装置３０に導かれる。二酸化炭素分離装置３０は、排ガス中に含まれている二酸化炭素を分離するとともに分離した二酸化炭素を液化して排出する。二酸化炭素分離装置３０の詳細な構成及び機能については後述する。
【００３６】
液化されて排出された二酸化炭素は液化炭酸貯槽２７に送られて貯留される。一方、二酸化炭素分離装置３０において二酸化炭素が分離された後の排ガスは、リバーシブル熱交換器２３に導入されて冷媒として用いられた後、熱交換器１１に導かれる。排ガスは熱交換器１１において再び冷媒として利用された後、煙突５１から系外に大気放出される。ここでこの大気放出は、系内での排ガスの蓄積を緩和するためにその一部を系外に逃がすものである。従って放出される排ガス中に含まれる二酸化炭素の濃度は非常に低い。
【００３７】
ところで、上述した冷凍機４０は、冷媒としての窒素ガスを冷却する。冷凍機４０は、例えば電気エネルギー等のエネルギーによって繰り返し圧縮・膨張させることにより窒素ガスを冷却する。冷却により製造された液体窒素は、熱交換器１１に循環されるエチレングリコールの冷却や、ＤＭＥ冷却塔１８、ドライアイスサブリメータ２４などに循環される当該液体窒素とは別系統で流通される液体窒素等の冷媒の冷却に用いられる。冷凍機４０は、タービン式の圧縮機４１（窒素昇圧機）、循環窒素圧縮機４２、冷媒を膨張させて低温を得る冷凍装置４３、冷媒である液体窒素とエチレングリコールや別系統で流通される液体窒素とを熱交換させる熱交換器４４、等を備える。
【００３８】
以上に説明したように、本実施形態の排ガス処理システムにあっては、石炭焚きボイラ、重油焚きボイラ、製鉄所における高炉、コークス炉、転炉等から排出される窒素酸化物や硫黄酸化物等の有害ガス成分を含んだ排ガスについて、当該排ガスに含まれる水分や有害ガス成分を効率よく除去することができる。また、このように水分や有害ガス成分を効率よく除去しつつ、排ガスに含まれる二酸化炭素を効率よく回収することができる。
【００３９】
なお、以上の説明において、排ガスからの除去対象となる有害ガスとしては、例えば、一酸化炭素、一酸化窒素等の他の窒素酸化物（ＮＯＸ）、一酸化硫黄等の他の硫黄酸化物（ＳＯＸ）、フッ化水素などのハロゲン化合物等があり、二酸化炭素の固化温度及び有害ガス成分の液化又は固化温度を適切に設定し、上記の冷却媒体として適切なものを選択することにより、これらの有害ガス成分を効率よく除去することができる。
【００４０】
＜二酸化炭素分離装置３０＞
二酸化炭素分離装置３０の構成及び機能について詳述する。図３は本発明の一実施形態として説明する二酸化炭素分離装置３０の概略的な構成である。本図において、耐圧容器３１０は縦・横・高さがそれぞれ数ｍ程度の略直方体形状の金属製（例えばステンレス）の容器である。耐圧容器３１０の上面所定位置には、リバーシブル熱交換器２３から導かれた排ガスを流入させるガス流入口３２１が設けられている。一方、耐圧容器３１０の下面所定位置には、排ガス中に含まれる二酸化炭素以外の成分を耐圧容器３１０の外部に排出するガス排出口３２２が設けられている。さらに耐圧容器３１０の下面所定位置には、上記ガス排出口３２２とは別に、耐圧容器３１０の底に溜まる液化した二酸化炭素を排出するための液体排出口３２３が設けられている。なお、ガス流入口３２１から流入した排ガスを耐圧容器３１０内に所定時間以上滞在させるべく、ガス排出口３２２はガス流入口３２１から所定距離だけ離間させた位置に設けられている。
【００４１】
ガス流入口３２１に連結する配管（ガス流入管３３１）には、排ガスの流入量を調節する制御バルブ３４１が設けられている。またガス排出口３２２に連結する配管（ガス排出管３３２）には、排ガスの流出量を調節する制御バルブ３４２が設けられている。また液体排出口３２３に連結する配管（液体排出管３３３）には、排出させる液体の二酸化炭素の量を調節する制御バルブ３４３が設けられている。これら制御バルブ３４１，３４２，３４３の全てを閉じることにより耐圧容器３１０内は完全に密閉された状態となる。
【００４２】
耐圧容器３１０の内部には、冷媒である液体窒素（ＬＮ２）を流通させる金属製（例えば銅もしくはステンレス）の冷媒流通管（冷却器）３１２が配管されている。なお、上記冷媒となる液体窒素は冷凍機４０から供給される。冷媒流通管３１２の上流には、冷媒の流量を制御する制御バルブ３４４が設けられている。冷媒流通管３１２は、耐圧容器３１０の内部に流通させる排ガスとの間の接触面積を十分に確保すべく、耐圧容器３１０の内部において２本に分岐させている。冷媒流通管３１２は耐圧容器１の内部で蛇行させてあり、これによってもガスとの間の接触面積が十分に確保されるようにしている。
【００４３】
耐圧容器３１０の壁面には伝熱管（伝熱器）３１３が埋設されている。伝熱管３１３の上流には伝熱管３１３に流通させる熱媒体の流量を制御する図示しない制御バルブが設けられている。上記熱媒体は例えば乾き空気であり、熱媒体は熱源３１４から伝熱管３１３に輸送されてくる。なお、冷凍機４０から循環されている冷媒を上記熱媒体として用いることで、系全体としてのエネルギーの有効利用が図られる。また伝熱管３１３は耐圧容器３１０の壁面に埋設するのではなく、耐圧容器３１０の内部に設けるようにしてもよい。また伝熱管３１３に代えて電熱式のヒータ（例えばシリコンゴムヒータ、フッ素樹脂ヒータ）を用いてもよい。
【００４４】
耐圧容器３１０には、耐圧容器３１０内のガスの温度を計測するセンサ、冷媒流通管３１２表面の温度を計測するセンサ等、各種のセンサが設けられている。各センサの出力値は、図示しない計測機器やコンピュータに入力され、オペレータによってモニタされている。また耐圧容器３１０の所定位置には図示しない小窓が設けられ、ここから耐圧容器３１０の内部の様子を目視できるようになっている。
【００４５】
次に図４に示すプロセスフローとともに、上記二酸化炭素分離装置３０を用いて行われる、排ガス中に含まれる二酸化炭素を分離するプロセスについて説明する。なお、初期状態では、制御バルブ３４１，３４２，３４３は全て閉じられているものとする（Ｓ４０１）。
【００４６】
まず制御バルブ３４４を開き、冷媒流通管３１２への冷媒（液体窒素）の流通を開始する（Ｓ４０２）。ここでは二酸化炭素は固化するが、窒素酸化物等の有害ガス成分については液化しない温度に冷媒流通管３１２の表面の温度を低下させる。図５は二酸化炭素（二酸化炭素）のＴ−Ｐ（温度−圧力）線図である。同図に示すように、二酸化炭素の昇華点は１ａｔｍで−７８．５℃である。従って１ａｔｍを前提とした場合、冷媒流通管３１２の表面温度は少なくとも−７８．５℃以下とする。
【００４７】
冷媒流通管３１２の表面温度が上記温度に達すると、次に制御バルブ３４１及び制御バルブ３４２を開いて制御バルブ３４１から二酸化炭素を分離しようとするガスを流入し、耐圧容器３１０へのガスの流通を開始する（Ｓ４０３）。ここで耐圧容器３１０を流通するガスは冷媒流通管３１２によって冷却され、ガス中に含まれる二酸化炭素が冷媒流通管３１２の外面にドライアイス３５０として析出してくる（Ｓ４０４）。一方、耐圧容器３１０内に流入された排ガスは耐圧容器３１０内を移動して制御バルブ３４２から耐圧容器３１０の外に排出される（Ｓ４０５）。
【００４８】
冷媒流通管３１２の表面に析出したドライアイス３５０の量が所定量に達したところで（Ｓ４０６：ＹＥＳ）、制御バルブ３４１及び制御バルブ３４２を閉じて耐圧容器３１０を密閉する（Ｓ４０７）。また制御バルブ３４４を閉じて冷媒流通管３１２の冷媒（液体窒素）の流通を停止する（Ｓ４０８）。なお、ドライアイス３５０の析出量が所定量に達したかどうかの判断は、例えば小窓から耐圧容器３１０内を目視したり、所定時間が経過しりしたことをもって行う。
【００４９】
次に制御バルブ３４５を開いて伝熱管３１３に熱媒体を流通させ（Ｓ４０９）、耐圧容器３１０内の温度を上昇させる。耐圧容器３１０内の温度上昇に伴い、冷媒流通管３１２の表面に析出していたドライアイス３５０が気化（昇華）し始める（Ｓ４１０）。一方、ドライアイス３５０が気化することによって耐圧容器３１０内の圧力は上昇する。ここで図９に示すように、二酸化炭素の三重点は、５．１１ａｔｍ／−５６．６℃である。このため、ドライアイス３５０が気化して耐圧容器３１０内が三重点における温度及び圧力より高い温度及び圧力になると、耐圧容器３１０内の二酸化炭素の一部が液化し始め、液化により生じた液体の二酸化炭素が耐圧容器３１０の底に溜まり始める（Ｓ４１１）。
【００５０】
次に冷媒流通管３１２の表面に析出しているドライアイス３５０が完全に気化もしくは液化したところで（Ｓ４１１：ＹＥＳ）制御バルブ３４３を開放する。これにより耐圧容器の底に溜まった二酸化炭素（液体）が耐圧容器３１０内圧によって液体排出口３２３から耐圧容器３１０の外に排出される（Ｓ４１３）。なお、ドライアイス３５０が完全に気化もしくは液化したかどうかの判断は、例えば小窓からの耐圧容器３１０内の目視や所定時間が経過したことをもって行う。また液体排出口３２３に連結する液体排出管３３内を二酸化炭素が液体の状態のまま保たれる圧力及び温度としておくことで、二酸化炭素を液体の状態に保ったまま耐圧容器３１０の外に排出することができる。
【００５１】
以上に説明したように、本実施形態の二酸化炭素分離装置３０によれば、ガス中に含まれる二酸化炭素を効率よく分離することができる。なお、制御バルブ３４４及び伝熱管３１３の制御バルブ３４５を閉じ、再びＳ４０１からのプロセスを繰り返すことにより、リバーシブル熱交換器２３から次々に導かれてくる排ガスについて連続して二酸化炭素を分離することができる（Ｓ４１４：ＮＯ）。
【００５２】
上記二酸化炭素分離装置３０によれば、二酸化炭素の固化及び液化を同じ耐圧容器３１０内で行うことができる。また二酸化炭素分離装置３０は、以上に説明したように装置構成が単純であるので、低コストで実施することができる。また上記二酸化炭素分離装置３０では、ドライアイス３５０を伝熱管（冷媒流通管３１２）の外面に析出させるようにしているため、伝熱管３１３の管路が閉塞されることもなく、連続運転や自動運転を実施し易い。また特別な液化装置を用いることなく、運搬や貯留に便利な液体の状態で二酸化炭素を排出することができる。
【００５３】
なお、例えば、制御バルブ３４１〜３４５をそれぞれ電磁バルブとするとともに、各電磁バルブを制御するための制御ラインをコンピュータに接続し、コンピュータのハードウエアや当該ハードウエアで動作する制御ソフトウエアにより上記電磁バルブを遠隔制御するようにしてもよい。また、上記各種センサの出力値に基づいて、上述したプロセスの全部又は一部を自動実行させるようにしてもよい。
【００５４】
＜＜実施例２＞＞
図６に本発明の第２実施形態として説明する排ガス処理システムの概略的な構成を示している。この排ガス処理システムによれば、発電所や化学プラント等における、ＬＮＧ焚きボイラ等の排ガス発生源１０から排出される窒素酸化物等の有害ガス成分を含んだ排ガスについて、当該排ガスに含まれる水分や有害ガス成分を効率よく除去するとともに、排ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ２）を効率よく回収することができる。
【００５５】
排ガス処理システムは、前プロセスとして、排ガス発生源１０から排出される、窒素酸化物等の有害ガス成分を含んだ排ガスを、熱交換器１１及び凝縮器（コンデンサ）１３に収容される工業用水に導入することにより室温程度に冷却する。次に第１のプロセスとして、室温程度に冷却された排ガスを、脱水塔１７において二酸化炭素を固化させない第１の温度に冷却することにより、排ガスに含まれる水分、窒素酸化物を液化または固化させて、これらを排ガスから分離する。さらに第２のプロセスとして、水分及び窒素酸化物を分離した前記排ガスを、二酸化炭素分離装置３０に導入し、ここで排ガス中に含まれている二酸化炭素を冷却固化させて分離するとともに、分離した二酸化炭素を液化して排出する。
【００５６】
次にこの排ガスの処理システムの具体的な処理プロセスについて順に説明する。  
まず前プロセスにおいて、ＬＮＧ焚きボイラ等の排ガス発生源１０から排出される、窒素酸化物等の有害ガス成分を含んだ排ガスが、熱交換器１１に導入される。熱交換器１１には、海水ポンプ１２によって供給される海水（例えば２５℃）、及び、冷凍機４０から循環されるエチレングリコール等の冷媒が導かれている。排ガス発生源１０から導かれる排ガス（例えば５５℃）は、熱交換器１１を通過することにより上記海水や冷媒によって室温程度に冷却される。
【００５７】
冷却された排ガスは、次に凝縮器（コンデンサ）１３に導かれる。凝縮器１３において、排ガスは当該凝縮器１３に収容されている工業用水に導入される。これにより当該排ガスに含まれている水分、有害ガス成分、煤塵等が除去される。排ガスから除去された水分、有害ガス成分、煤塵等を含んだ液化水は、排水槽１４に貯留された後、排水ポンプ１５により排水処理装置５０に導かれる。そして凝縮器１３を通過した排ガスは、排ガスファン１６によって脱水塔１７へと導かれる。なお、凝縮器１３における工業用水との熱交換により排ガスは室温程度から例えば５℃にまで冷却される。
【００５８】
脱水塔１７では、排ガスについて脱水（除湿）及び有害ガス成分の除去が行われる。なお、排ガス中の水分を脱水することで、後に行われる排ガス中の二酸化炭素の回収プロセスにおいて、二酸化炭素を効率よく回収することができる。
【００５９】
脱水塔１７において、排ガスは脱水塔１７の下方側から導入される。脱水塔１７に導入された排ガス（例えば５℃）は、脱水塔１７内に満たされているＤＭＥ（例えば、−９０℃）に、バブリング方式により流通される。そしてＤＭＥと熱交換することにより排ガスは冷却される。ここでこの温度において、排ガス中の水分や有害ガス成分については液化もしくは固化するが、二酸化炭素は凝固しない。このため、水分、二酸化窒素は液化または固化して排ガスから分離されるが、二酸化炭素は気体のまま排ガス中に残留することになる。なお、脱水塔１７の上方に浮上してくる二酸化炭素を含んだ排ガスは、リバーシブル熱交換器２３に導かれる。
【００６０】
脱水塔１７内のＤＭＥは、ＤＭＥ冷却塔１８から循環的に供給される。ＤＭＥはＤＭＥ冷却塔１８で冷却される。ＤＭＥ冷却塔１８には、冷凍／熱交換器４４において冷却された冷媒（液体窒素）が循環ポンプ１９により循環されており、ＤＭＥは、前記冷媒との間の熱交換により冷却される。
【００６１】
脱水塔１７において排ガスが流通されたＤＭＥは、固液分離装置２８へと導かれる。なお、この段階では、ＤＭＥ及び水分及び有害ガス成分の固化物は、シャーベット状態（スラリー）になっている。固液分離装置２８では、ＤＭＥと上記固化物とが分離される。固液分離装置２８により分離された後のＤＭＥは、これを再利用するために、ＤＭＥ分離塔２０に導かれる。なお、ＤＭＥ分離塔２０へと導かれるＤＭＥ中には、水分及び有害ガス成分が幾分残留している。
【００６２】
脱水塔１７からＤＭＥ分離塔２０に導かれたＤＭＥは、ここで海水と間接的に熱交換されて昇温される（例えば５℃）。ここでこの温度では、水分及び有害ガス成分については液体または固体であるが、ＤＭＥは気体である。このため、ＤＭＥは気体となってＤＭＥ分離塔２０の上方に浮上し、これによりＤＭＥは他の成分と分離される。ＤＭＥ分離塔２０の上方に浮上してくるＤＭＥは、ＤＭＥ分離塔２０の上方から回収されてＤＭＥ冷却塔１８へと導かれた後、再び脱水塔１７へと循環的に導かれる。このようにしてＤＭＥは循環的に再利用されることとなる。このように冷却媒体としてのＤＭＥが循環的に再利用されることで、本実施形態の排ガス処理システムは、系全体として冷却媒体が効率よく利用されて運用されることになる。一方、ＤＭＥ分離塔２０内に残留した、液体または固体の水分及び有害ガス成分については排水処理装置５０に導かれる。
【００６３】
一方、脱水塔１７からリバーシブル熱交換器２３に導かれた排ガスは、ここで冷却された後、二酸化炭素分離装置３０に導かれる。二酸化炭素分離装置３０は、排ガス中に含まれている二酸化炭素を分離するとともに分離した二酸化炭素を液化して排出する。二酸化炭素分離装置３０の詳細な構成及び機能については上述したものと同様である。
【００６４】
液化されて排出された二酸化炭素は、液化炭酸貯槽２７に送られて貯留される。一方、二酸化炭素分離装置３０において二酸化炭素が分離された後の排ガスは、リバーシブル熱交換器２３に導入されて冷媒として用いられた後、熱交換器１１に導かれる。排ガスは熱交換器１１において再び冷媒として利用された後、煙突５１から系外に大気放出される。ここでこの大気放出は、系内での排ガスの蓄積を緩和するためにその一部を系外に逃がすものである。従って放出される排ガス中に含まれる二酸化炭素の濃度は非常に低い。
【００６５】
ところで、上述した冷凍／熱交換器４４では、ＬＮＧの気化熱を利用して、熱交換器１１に循環されるエチレングリコールや、ＤＭＥ冷却塔１８、ドライアイスサブリメータ２４などに循環される液体窒素等の冷媒を冷却している。例えば、ＬＮＧをガス燃料として用いている発電所において、ＬＮＧは例えば−１５０℃〜−１６５℃の液体の状態で輸送されてＬＮＧタンク６０等に貯留される。ここでＬＮＧをガス燃料として使用する際には、大気や海水から気化熱を得て昇温させて気化するが、冷凍／熱交換器４４は、この際の気化熱を利用してエチレングリコールや液体窒素等の冷媒を冷却している。つまり排ガスもしくは冷却媒体は、ＬＮＧをガス燃料として用いた場合に生じる気化熱を利用して冷却されている。なお、ＬＮＧの気化熱を利用して排ガスに含まれる二酸化炭素を固化・分離する技術については、例えば、特開平８−１２３１４号公報等に記載されている。
【００６６】
以上に説明したように、本実施形態の排ガス処理システムにあっては、ＬＮＧ焚きボイラ等から排出される、窒素酸化物等の有害ガス成分を含んだ排ガスについて、当該排ガスに含まれる水分や有害ガス成分を効率よく除去することができる。また排ガスに含まれる二酸化炭素を効率よく回収することができる。
【００６７】
なお、以上の説明では、排ガスからの除去対象となる有害ガス成分が、二酸化窒素である場合について説明したが、例えば、一酸化炭素、一酸化窒素等の他の窒素酸化物（ＮＯＸ）、フッ化水素などのハロゲン化合物等、他の有害ガス成分についても、上記の冷却媒体を適切に選択することによって、本実施例と同様の仕組みを適用することができる。
【００６８】
また例えば、制御バルブ３４１〜３４４をそれぞれ電磁バルブとするとともに、各電磁バルブを制御するための制御ラインをコンピュータに接続し、コンピュータのハードウエアや当該ハードウエア上で動作する制御ソフトウエアにより上記電磁バルブを遠隔制御するようにしてもよい。また、上記各種センサの出力値に基づいて、上述したプロセスの全部又は一部を自動実行させるようにしてもよい。
【００６９】
以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態よる排ガス処理システムの概略的な構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による二酸化硫黄濃度が８０ｐｐｍの模擬ガスをＤＭＥ中に流通させた場合における模擬ガス中の二酸化硫黄の濃度変化の測定結果を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による二酸化炭素分離装置３０の概略的な構成を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による二酸化炭素分離装置３０を用いて行われる排ガス中に含まれる二酸化炭素を分離するプロセスを説明するプロセスフローを示す図である。
【図５】二酸化炭素のＴ−Ｐ（温度−圧力）線図を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態よる排ガス処理システムの概略的な構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  排ガス発生源
１１  熱交換器
１３  凝縮器（コンデンサ）
１４  排水槽
１７  脱水塔
１８  ＤＭＥ冷却塔
２０  ＤＭＥ分離塔
２２  成分分離塔
２３  リバーシブル熱交換器
２７  液化炭酸貯槽
２８  固液分離装置
３０  二酸化炭素分離装置
４０  冷凍機
４４  冷凍／熱交換器
５０  排水処理装置
５１  煙突
【図１】
2005305419.tif 000003
【図２】
2005305419.tif 000004
【図３】
2005305419.tif 000005
【図４】
2005305419.tif 000006
【図５】
2005305419.tif 000007
【図６】
2005305419.tif 000008