(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスからの二酸化炭素の除去を行う装置であって、
排気ガスチャネルの内部に取り付けることができるようになっており、
前記排気ガスを吸収温度まで冷却するように構成された１つまたは複数の熱交換素子と、
前記排気ガス流から二酸化炭素を吸収するように構成された１つまたは複数の吸収素子と、
前記ガスに同伴した液滴を回収して排出するように構成された１つまたは複数のミスト除去素子と、
前記チャネルの軸線に平行または同心状に取り付けられて回転移動可能に構成されており、前記素子を連続的に取り付けた中空アクスルと、
該中空アクスルの内部に軸方向に取り付けられて、補助流体を前記素子へ、またはそれから搬送する１つまたは複数のパイプとを備えたことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記素子は、ガスダクト（２）内でのガス流の軸方向移動を補助すると共に、前記ガスダクト（２）内に前記素子が存在することによって誘発される圧力低下を、ガスに多少の軸方向力を加えることによって除去するのに寄与する形状および／または取り付けパターンを有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記熱交換素子は、ブレードまたはらせん形取り付けパターンを形成するような、ファンブレード（１１）のような、またはらせんベーン（２０）のような形状を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記熱交換素子は、実質的にＵ字管（１１０、８ａ、８ｃ）のような形状を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記Ｕ字管（１１０）は、内部チャネルを備えたフィン（１１２）を有することを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記熱交換素子（１１０）は、平行なチャネルの数が前記ガスダクトの周縁部に向かって増加し、アクスル（４）に向かって減少するラチス（８ｅ）のような形状を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記熱交換素子（１１０）は、内部チャネル（８ｆ）を備えたブレードであることを特徴とする請求項１または３記載の装置。
【請求項８】
前記熱交換素子（１０、１１０）は、熱伝達率を高めるために、エッチング、溝付け、金属液滴の固着または金属粒子の固着によって表面処理が施されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記熱交換素子（１１０）は、ガス処理の実施に必要な補助流体を供給する脚部およびガス処理の実施に必要な前記補助流体を戻す脚部（１２３）を有し、該脚部が少なくとも２つの異なった平面上で個別に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記熱交換素子（２０）は、ピンが突出したマットまたは編み地構造のシートで覆われたブレード形を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１１】
前記吸収素子は、１組の穿孔同軸シリンダ（２００）または１組の穿孔同軸カットコーン（２００）であり、同軸とは、前記装置の軸線を基準にしていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１２】
前記シリンダ（２００）またはカットコーン（２００）は、前記シリンダまたはカットコーン内に溝（２２５、２２７）を、該溝がブレードまたはらせんベーンのようなパターンを形成するような構成にして挿入することによって変更されることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記吸収素子は、内部をガスが軸方向に移動し、補助液体が半径方向に移動するパッキング（２３０）であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１４】
ダクト壁に沿って流れる流体を捕らえて前記ダクトの底部へ排出し、そこから重力によって引き出すことができるように、リップ（２０３、２０４）を備えたリング（２０２）が前記ガスダクトの周縁部に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１５】
前記同軸シリンダまたはカットコーンからこぼれる処理液（２０１）を捕らえて前記シリンダまたはカットコーン（２００）に戻すために、前記シリンダまたはカットコーンの前および／または後端部にリップ（２０８、２０９）を備えていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１６】
前記ミスト除去素子は、ブレードまたはらせん形取り付けパターンを形成するような、ファンブレード（２１０）のような、またはらせんベーン（２０）のような形状を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１７】
ベーン形の前記ミスト除去素子（３４０）は、らせん形パターンで前記アクスルに取り付けられており、前記ベーンは波形であり、波形上部がベーンの方向を横切り、また、前記ベーンの頂部に、集められた液滴を周縁部の方へ排出するのを助ける開放形半径方向チャネル（３４２）が設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１８】
前記ミスト除去素子（３１０）は、ピンが突出したマットまたは編み地構造のシートで覆われたブレード形（３１１）を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１９】
前記ミスト除去素子（３２１）は、内部をガスが軸方向に移動し、回収された液体が半径方向に移動するパッキング（３２０）であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項２０】
排気ガスからの二酸化炭素の除去を行う方法であって、
該方法は、排気ガスチャネルの内部で実施され、
吸収温度まで冷却するために、前記ガス流を１つまたは複数の熱交換素子へ送る段階と、
該冷却ガス流を１つまたは複数の吸収素子へ送り、該吸収素子は、吸収剤を遠心力によって前記吸収素子の中心から前記素子の周縁部へ半径方向に通すことによって、前記排気ガス流から二酸化炭素を吸収し、該周縁部でＣＯ２を高濃度に含む吸収剤を回収してリサイクルし、ＣＯ２除去排気ガス流を得る段階と、
該ＣＯ２除去排気ガス流を１つまたは複数のミスト除去素子へ案内し、そこで前記ガス流に同伴した液滴を遠心力によって周縁部へ回収して排出することを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記ガス流は、前記吸収剤に対向する方向に流れることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記ガス流は、前記排気ガスチャネル内を軸方向に流れ、半径方向に流れる吸収剤で処理されることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ガスを処理する方法および装置に関する。本発明は特に、排気ガスまたは排煙からのエネルギ回収および／またはＣＯ2に適用可能である。
【０００２】
熱エネルギを機械エネルギに変換するためにガスタービンを使用する時、廃熱から蒸気を発生し、この蒸気を使用して蒸気タービンを駆動することが一般的であり、これによって全体的なエネルギ効率が増加する。ガスタービンに蒸気発生器および蒸気タービンを追加することで、今日のエネルギ変換処理には非常にかさばる処理装置が必要である。特にボイラの容積は大きい。配管もかなりの量であると共に複雑である。したがって、石油／ガス掘削施設のような海上環境では、空間が最小限であるのに対してそのような環境ではガスが廉価であるため、排気ガスからエネルギを回収する装置を備えていないガスタービンを設置するのが通常のやり方である。
【０００３】
炭素によって引き起こされる地球温暖化や、二酸化炭素またはエネルギ税の導入に対する注目が高まるのに伴って、この状況が再評価されつつある。処理のエネルギ効率を高めることは、環境ガス(climate gases)の排出を減少させることを意味する。また、そのようなエネルギ変換施設からの排煙から二酸化炭素を分離する可能性にも注目が集まっている。
【０００４】
二酸化炭素の回収には、排気ガスの温度を５００℃である一般的なガスタービン排気ガス温度より低いレベルまで低下させる必要がある。今日の技術でガスから二酸化炭素を分離することが可能な最高温度は、１００〜１５０℃であるが、排気ガス処理に対してより一般的であるのは、２０〜５０℃であろう。
【０００５】
液体をベースにした方法（たとえば、吸収）で排気ガスを処理する時、液滴が一般的に気相内に存在するようになるであろう。液滴は、凝縮が起きる時にも発生するであろう。したがって、液体の回収または大気への余分な排出の回避のいずれかのために、そのような液滴を除去することが望ましい。
【０００６】
排気ガスから熱の回収、冷却および二酸化炭素除去を行うための施設の従来構造は、個別のボイラを備え、それに続いて、二酸化炭素を吸収塔内で除去する前のガス用のクーラを設け、さらにデミスタ装置を下流側に設けていると共に、おそらくは続いて起きる圧力降下に打ち勝つためにブロワを備えている。この処理装置はかさばり、さまざまな装置を接続するための複雑な配管系統に加えて、必須設備および制御を必要とする。
【０００７】
文献（たとえば、Sawyerの「ガスタービンエンジニアリングハンドブック(Gas Turbine Engineering Handbook)」第３版の第２巻の７および１４章）から、ガスタービンサイクルにおけるエネルギ回収問題を技術的に解決する方法が既知であるが、既知の方法は一般的に高コストであると共に、海上で用いるにはかさばりすぎる。さらに、これらの技術的解決策には有限圧力降下が伴い、これによってガスタービンの出口圧力が高くなるため、結果的にエネルギ効率が低下する。あるいは、圧力降下に打ち勝つために、何らかのブロワを設置することもできる。
【０００８】
さらに、文献（たとえば、W. W. Bathieの「ガスタービンの基本(Fundamentals of Gas Turbines)」第２版、Wiley、１９９６年、第８章）から、ガスタービンブレードを内部水流で冷却することが既知である。それによる技術は、材料破損を避けることができる低温にブレード表面を保つように構成されており、効果的な熱伝達またはエネルギ回収には適していない。
【０００９】
また、文献（たとえば、KohlおよびNielsenの「 ガス浄化(Gas Purification)」第５版、Gulf Publishing、１９９７年）から、さまざまな手段によってガスから二酸化炭素を除去する方法が既知である。排煙から二酸化炭素を除去することは、有効圧力がないことや、ガス中の窒素酸化物および酸素などの汚染物質の存在のため、特別な問題である。１つのそのような用例が、文献（Pauleyその他の１９８４年５月１４日の「石油およびガスジャーナル(Oil & Gas Journal)」８４〜９２頁）に記載されている。近年では、そのような技術を改善する多くの開発に投資されている（たとえば、１９９９年にEliasson, RiemerおよびWokaun, Pergamonによって編集された「温室ガス制御技術(Greenhouse Gas Control Technologies)」を参照されたい）。
【００１０】
英国特許第１，３３２，６８４号は、燃焼室およびガスタービンと組み合わされた空気コンプレッサの回転アセンブリに熱交換機を取り付ける方法を教示している。それぞれ排気ガス流および空気内に配置された熱交換器マトリックスを備えた閉ループで作動する中間熱伝達媒体を介して燃焼空気を予熱するために、ガスタービン排気からの熱を使用する方法が示されている。この発明の欠点として、熱交換アセンブリを油圧式に駆動するためにガスを使用することによって排気ガスの圧力降下が発生すると共に、熱回収の可能性が制限されることが含まれる。熱伝達機構の物理的配置と圧力降下の発生は、ガスタービンアセンブリの設計にも支障を及ぼすであろう。さらに、熱交換器は、後付け部品として取り付けることができない。
【００１１】
ドイツ特許第ＤＥ３３２６９９２号、ヨーロッパ特許第２６２２９５号およびヨーロッパ特許第５５６５６８号は、それとほぼ同一の発明または開発であるさまざまな機構を取り扱っている。それらは、燃焼機関からの排気ダクト内に装置を配置する方法、および排気ガスから熱および運動エネルギを回収できるようにその装置を形成する方法を教示している。さらに、それらは、蒸気タービンに供給するために蒸気を発生する方法、および動力を燃焼機関のクランクシャフトに伝達する１つの回転アクスルにこの装置を取り付けることができるように構成する方法を教示している。この発明は、燃焼機関の効率すなわち出力を増加させることを意図している。排気ガス流内で誘発される圧力降下は欠点であるが、燃焼機関の場合はガスタービンより少ない。タービンブレードの有無に関係なく、排気ガスの流路が狭いため、相当な圧力降下が発生する。さらなる欠点は、蒸気が単一室内で形成されるので、１つの温度レベルしか可能ではなく、したがって熱伝達をクロスフローとして効果的に構成するが、これによって熱回収に限界があることである。さらなる欠点として、二酸化炭素除去を行うことができるレベルまで排気ガスの温度を低下させることができない。
【００１２】
国際特許出願第ＷＯ９８／３０４８６号は、圧縮およびポンピングのような輸送促進機構を同一アクスル上に組み合わせることによって、コンパクトなヒートポンプを構成する方法を記載している。この特許出願はまた、狭い環状空間内に巻かれたらせん形をして、一方の媒体がらせん管の内部を流れ、他方の媒体が環状空間内を流れるようにした熱交換器を記載している。この解決策では、排気ガスの処理に通常伴った大ガス流(large gas flows)または大量ガスをベースにした(large gas based)処理に対処することが困難であろう。
【００１３】
米国特許第５，３６３，９０９号は、回転パッキングを配置した室内へガスをパイプで送り込み、ガスをパッキングの中心に向けて半径方向に流す一方、半径方向外向きに移動中の液体と接触させる方法を教示している。直接的な熱伝達によって冷却または加熱を行うことができるが、直接接触のため、有用な蒸気または他のいずれかの有用な熱媒体を発生することが不可能であろう。また、パッキングがガスに多少のファン作用を与えて、それを外向きに押し進めようとし、この作用に余分な圧力降下で打ち勝たなければならないので、それは個別の設備および重大な圧力降下を意味する。
【００１４】
ＳＵ第１１８９４７３号は、軸線に向かって傾斜した同心ディスクが内壁に固定され、外向きに傾斜したディスクを有する回転構成部材が中央に配置されている処理塔（column) 内にガスを流す方法を教示している。液体が回転ディスク上を流れて壁にはね飛ばされ、そこから静止ディスク上を流れて下方の回転ディスク上に戻る。この装置は、物質移動を意図しているが、液体を蒸発させることによって、ガスの冷却を行うことができる。やはり、流入するガスの熱を利用することは不可能であり、処理塔内への流入およびディスクの取り付けは、圧力降下を意味する。この装置はまた、垂直取り付けに限定されており、物質移動に関して空間効率（ｍ2／ｍ3 ）があまり高くない。
【００１５】
ＳＵ第３５９０４０号は、底部に液溜めを設けた水平タンクにガスを通すことによって、ガスおよび液体を接触させる方法を教示している。液体に浸されている構成部材を回転させて液体をガス内へ投げ飛ばすことによって、液体が気相内へはね飛ばされる。また、回転構成部材はガス流によって駆動される。上記のように物質移動が行われるであろうが、この装置はガスから熱を回収するのにほとんど役立たない。物質移動作動は、たとえば、空間（ｍ2／ｍ3）に関して決して効率的ではない。
【００１６】
さらに文献（たとえば、A. Burkholzの「液滴分離(Droplet Separation)」、ＶＣＨ、１９８９年）から、ガスから液滴および／またはミストを除去する幾つかの方法が既知である。
【００１７】
大量のガス流に対して熱伝達および物質移動を行うこれまでの技術はかさばると共に高コストであった。この問題を効果的に解決しようとするならば、新しい技術が必要であろう。
【００１８】
本発明の主たる目的は、ガス処理用のコンパクトで多機能的な装置を得ることであった。
【００１９】
本発明者は、今日の利用可能な技術を大幅に改良した排気ガスまたは排煙の処理方法および装置を開発した。本装置はコンパクトで多機能的であり、熱伝達および物質移動が行われる排気ガスダクト内に装置を設けることによって、配管の必要性を減少させる。任意であるが、ダクト内の圧力降下を避けるために、多少の軸方向移動をガスに与えることができ、負の圧力降下も予想できるであろう。
【００２０】
本発明による装置は、中空アクスル４に取り付けられてそれと共転することができる機能素子１０、２０、１１０、２００、２３０、３１０、３２０、３３０、４００を包含した１つまたは複数の構成部材３と、中空アクスルの内部に軸方向に取り付けられて、ガス処理の実施に必要な補助流体の輸送を行う１つまたは複数のパイプ５とを備えている。
【００２１】
さらに、本発明に従った方法は、中空回転アクスルに取り付けられてそれと共転する機能素子を包含した１つまたは複数の構成部材にガス流を接触させることを含み、ガス処理の実施に必要な補助流体を各構成部材内の機能素子に、アクスルの内部に軸方向に取り付けられたパイプによって容易にして流す。
【００２２】
本発明は、すべての関連処理および／または接触装置をガスダクト自体の内部に設置できるようにし、それによって配管の必要性を減少させることによって、意図したガス処理の複雑さを軽減する。
【００２３】
本発明は、一般的にガスタービンから出た排気ガスダクト内で中空回転アクスルに取り付けられてそれと共転することができる機能素子を包含した１つまたは複数の構成部材を備えているが、排気ガスは別の供給源から同様に送ることもできる。機能素子は、熱伝達、物質移動およびミスト除去などの機能を組み合わせるように構成される。機能素子はまた、多少のファン作用を与えることによってガスの軸方向移動を補助するような形状を有する。それに含まれる軸方向移動補助は基本的に、装置が排気ガスダクト内に存在することによって圧力降下を引き起こさないようにすることである。構成部材の回転が機能素子のまわりの乱流を増加させ、したがって物質移動および熱伝達も適切に増加する。軸方向移動補助効率を改善するために、ステータをダクト壁に設けてもよい。必要に応じて冷却される適当な軸受けを使用して、アクスルがチャネル内に取り付けられている。回転構成部材の軸線は、ガスダクトの軸線に平行に取り付けられる。これらの軸線は一致してもよいが、必ずしもそうでなくてもよい。何らかの形式の駆動装置も設けられている。
【００２４】
本発明は特に、排気ガスまたは排煙からのエネルギ回収および／またはＣＯ2除去に適用可能である。
【００２５】
排気ガスダクト内の高温ガスは最初に、前述したように、ダクト内に取り付けられた回転熱伝達素子を通り抜けることによって、冷却されて蒸気または過熱蒸気を発生する。次の段階では、おそらくはもっと低圧でより多くの蒸気を発生することによってガスをさらに冷却してから、最終的にガスを必要な程度まで冷却する。必要な熱伝達素子は、同一アクスルに直列に取り付けるか、連続的に設けられたアクスルに取り付けてもよいが、それらはすべてダクト内に配置されるものとする。
【００２６】
液体または蒸気としての水が、中空のアクスルの内部に取り付けられたダクト内を流れる。水は一般的に最初に、流れ去るガスに衝突して加熱された後、加熱された水はアクスルの内部へ戻り、次の高温の熱伝達素子へ進む。これらの素子を通って流れる水は、熱伝達動力学、熱回収および流体流考察に従って好適なように、一部並列かつ一部直列であろう。
【００２７】
ガスを適当に調整した(tempered)後、使用した液体吸収剤に対して一部並列かつ一部直列の１つまたは複数の構成部材に流し、吸収剤で排気ガス中の二酸化炭素を吸収する。液体吸収剤は、アクスルを通して中心部に導入され、構成部材を介してガスダクトの周縁部まで進み、物質移動表面を増強する(enhance)。周縁部で液体が回収および排出されて、リサイクル用に処理される。
【００２８】
処理部の下流側に別の構成部材がアクスルに取り付けられており、この構成部材はデミスタとして作用して、ガスに同伴した液滴を遠心力でガスダクトの周縁部の方へ回収および排出し、そこから回収および排水される。
【００２９】
次に、図面を参照しながら本発明をさらに説明して考察する。
【００３０】
図１は、本発明に従った装置の概略図である。処理すべき排気ガスまたは排煙１が、本発明に従った装置３を内部に取り付けた排気ガスダクトまたは排煙ダクト２を流れる。本装置は、回転可能な中空アクスル４に取り付けられた１つまたは複数のガス処理構成部材を含む。図１には４つの構成部材３を示すガスダクト２の１つのセクションだけが示されているが、もっと多くのそのようなセクションを直列に設けることができ、また、各セクションにいくつの構成部材を設けてもよいことを理解されたい。さらに、１つの構成部材３内にいくつの機能素子１０、２０を設けてもよい。
【００３１】
ガス処理に使用される補助流体（たとえば、水または吸収液体）は、中空アクスル４の内部に軸方向に延在するパイプ５を通って各構成部材に出入りする。各構成部材は、排気ガスおよび補助流体間での熱伝達および／または物質移動に適した機能素子を備えている。熱伝達および／または物質移動と共にミスト除去機能も含むことができるが、個別の構成部材として含むことも同様に可能である。さまざまな構成部材の構成は、それらに意図されたサービスに従って調整されるであろう。
【００３２】
図１に示された装置は、ガスダクトの内部に取り付けられている。回転可能なアクスル４は、必要な支持体として機能して過大な摩擦を伴わないで相当な速度で回転しやすくする軸受け装置で載置されている。支持点の、したがって軸受けの数は、有効な機械工学の実際によって決定されるであろう。軸受けは、有効な実際に従って必要ならば冷却されるハウジングに入っているであろう。装置内の各構成部材３は、構成部材が回転する時にガスの軸方向移動を補助する形状にすることができ、かつ／または、ガスに軸方向力を与え、したがってガスの軸方向移動を補助する形状を構成するようなパターンで機能素子を構成部材３の内部に取り付けてもよい。図示されていないが、装置を回転させるために何らかの形の機械的駆動装置が設けられている。補助流体を回転中空アクスルの内外へ送る方法も図示されていないが、そのような技術は機械工学資料から既知である。ダクトおよび回転構成部材の軸線は平行であるが、必ずしも一致していない。
【００３３】
図２および図３は、機能素子１０、２０を備えたガス処理構成部材３の２種類の実施形態を示す。
【００３４】
図２の機能素子はファンブレードのように見えるのに対して、図３のものはらせんベーンのように見える。表面１１、２２は、それらのサービスに従って選択され、たとえば、熱伝達用には金属表面が、物質移動用には半透過性膜が選択される。図２の取り付け角（ギリシャ文字のα）または図３のピッチ２１から、機能素子がダクト内を流れるガスに対して軸方向移動補助を行うことは明らかである。この角度またはピッチを変更することによって、ファン作用と共に、熱伝達および物質移動処理に影響を与えることができる。中実板材からなる図２のブレード１０または図３のベーン２０だけを使用する必要はない。これらのブレードまたはベーンと同様に配置された管なども、十分な効果を与えるであろう。これについては以下にさらに説明する。これらの効果は、装置の回転速度の影響も受けるであろう。前述したように、ガスの圧力降下を部分的または完全に回避するために、何らかの駆動装置（図示せず）が必要がある。駆動装置の選択および構造は、本発明の一部ではない。
【００３５】
ガス用に十分な圧力降下が可能である場合、機能素子を使用してガスから運動エネルギを回復することができ、したがって、外部駆動装置を用いないで構成部材を回転させることができる。それ以外では機能が同一のままであろう。この場合、機能素子は、前述した軸方向移動補助（ファン作用）よりむしろ何らかのタービンまたは風車作用を与える。
【００３６】
図４〜図７は、装置内のさまざまな流れ形状を示す。これらをさらに組み合わせることが可能である。
【００３７】
図４は、補助流体流３０が中空アクスル４上の機能素子１０間をパイプで並列に流れた後、処理流体流が中空アクスル４内の内部パイプ５で合流して１つの共通の排出流になる様子を示す。ここでは、１つの機能素子１０を見た時、処理流３０はガス流１に対してクロスフローであり、ガス１は取り付けられている順に連続的に素子を通過する。処理流３０は、ボイラ供給水、冷却水、またはガス１から特定成分を取り出す吸収剤でよく、あるいは、機能素子１０が膜を組み込んでいる場合、処理流３０は単純に透過流でもよい。この膜は、平滑なシートの形をとってもよいが、中空糸膜を（筏の丸太のように）横に並べて取り付け、機械的強度を確保するために必要に応じて強化材を加えることによって作製することができる。
【００３８】
図５は、機能素子１０に処理流３０を並列に供給するが、処理流が機能素子１０の下流で分離して、図示のように複数の使用済み処理流を生じる例を示す。たとえば、図示の３つの流れは、下から上に高温水、低圧流および高圧流にすることができる。この構造は、図４の構造より逆流(countercurrent flow)への接近が良好になる。図５の構造は、たとえば、処理流が水である場合に好都合であり、これによって水の一部が高温度レベルで得られるようになるであろう。
【００３９】
図６は、処理流３０が一部直列かつ一部並列に機能素子１０を部分的に通る構造を示す。これは、図５の場合よりガス１および処理流間の逆流への接近がさらに向上する。最高温度レベルでダクト内を流れるガスを冷却する場合、処理流が、たとえば水であると、これはガスから最大エネルギを捕らえ、したがって熱力学第二法則に従って高品質のエネルギ(better energy quality)が得られる。
【００４０】
図７は、処理流が機能素子内を直列に流れる構造を示す。これは、図６に示されているものよりガスおよび処理流間の逆流への接近をさらに良好にするが、この方法では、処理流体の流量に対する処理能力がさらに制限される。
【００４１】
１つの機能素子だけについて考えると、ガス１および処理流３０は常にクロスフロー配置にあることがわかる。逆流は近似であるにすぎず、直列に配置される機能素子の数を多くするほど、この逆流に対する近似がさらに良好になる。
【００４２】
図４〜図７はすべて、６つの機能素子を示しているが、これは図示のための一例として選択されただけであることを理解されたい。機能素子の数を増減させても、本発明の範囲に入る。並列数の選択は主に、処理流体の流体流考察によって決定されるが、達成すべきガスの処理に対する適当な配慮も忘れてはならない。直列にする機能素子の数の選択は主に、ガスの処理要求および処理流の質によって決まる。これは、ガスが冷却を必要とし、補助流体流が冷却水である例で最も容易に説明される。この場合、熱伝達表面のコストに適当に配慮しながら、水量を最小限に抑えると共にできる限り高温の熱を回収するために、高度の逆流構造を選択するのが一般的であろう。この場合の冷却水は、ボイラ供給水を含むことができるであろう。
【００４３】
直列にする機能素子の数の選択は主に、ガスの処理要求および吸収剤の質によって決まる。これは、ガス中の二酸化炭素を除去する必要があり、吸収剤が水である例で最も容易に説明される。この場合、物質移動表面のコストに適当に配慮しながら、水量を最小限に抑えると共にできる限り高い二酸化炭素装荷率(loading)で吸収剤を脱離段階へ循環させるために、高度の逆流構造を選択するのが一般的であろう。
【００４４】
図８および図９は、熱伝達に使用される機能素子のさまざまな実施形態を示す。
【００４５】
図８は、熱伝達専用の機能素子１１０の構造に関する多数の例８ａ〜８ｆを示す。これらの例は、半径方向距離の増加に伴って増加する周縁部を利用して熱交換表面をさらに追加するさまざまな方法を示す。理想的には、いずれの例も、回転軸線からの半径方向距離に関係なく、同一の比熱交換表面密度（ｍ2／ｍ3）が得られるように構成されている。
【００４６】
８ａは、比熱交換表面密度を外周に向かって増加させる段階をとらない場合のその密度に対する効果を示す。図示の単純なＵ字管フープは、空間効率があまり高くない機能素子であろう。
【００４７】
８ｂは、Ｕ字管１１０に別の逆Ｕ字管１１１を追加することによって、比熱交換表面密度を改善できる様子を示す。空間が許せば、さらなるＵ字管を追加してもよい。
【００４８】
８ｃは、フィンを追加して補助熱伝達部分１１２として作用するようにした単純なＵ字管フープを示す。フィンは、８ｂに示されたもっと複雑なＵ字管フープや、８ａ〜８ｆの例に示された他のいずれにも追加することができる。
【００４９】
８ｄは、可用空間をできるだけ多くの管で埋めるために、一方の脚部、たとえば外向き流脚部を蛇行状に形成したＵ字管フープを示す。他方の脚部も同様に蛇行状にすることができ、２つの蛇行管を個別の平面上に配置してもよい。
【００５０】
８ｅは、回転軸線からの距離が増大するのに伴って、チャネルの数が増加するクモの巣状構造を示す。外向き流に使用されるさまざまな半径方向チャネルは、最も好都合にはチャネルの数が変わる周縁部で、交差接続される(cross-connected)。同様に、内向き流チャネルは、回転軸線に向かって数が減少する。これは、比熱交換表面密度を増加させるのに役立つ。
【００５１】
８ｆは、比熱交換表面密度が自然に増加する(built in)中空ブレード状機能素子を示す。内部チャネルが示されている。蒸発が起きる場合、チャネルアームの断面が大きくなるほど、大量の蒸気流を搬送できることは明らかである。
【００５２】
有効表面積を増加させるか、境膜伝熱係数を高めるために、熱伝達表面に対するエッチング、溝付けおよび／または金属液滴または粒子の付着などのさまざまな手段によって表面を改善する様子は、描くことができないために図示されていない。これは主に、境膜伝熱係数が最低であると予想される排気ガス流側（シェル側）で行われるが、原則的にこれは、補助熱伝達流体が流れる機能素子のチャネルの内部でも行うことができる。
【００５３】
図８に示されたさまざまな実施形態はすべて、熱交換装置の単位体積当たりの熱流束を増加させることを意図している。
【００５４】
図９は、８ｅで示された機能素子１０、１１０の変更例を示し、クモの巣状チャネルパターン内のすべてのチャネルが熱伝達流体を半径方向外向きに進める一方、同流体は別のパイプ１２３を通ってアクスルに戻る。図９ａおよび図９ｂは、互いに９０°をなす２つの異なった側面図を示す。蒸気発生の場合、この構造は蒸気の流れをさらに容易にするはずである。図９および８ｅは、この点で両極端である。これらの２つの基本概念を結びつけてもよい。図９に示された変更例は、適当と判断されれば、図８に示された例のいずれにも使用することができる。
【００５５】
図１０〜図１７は、物体移動に用いられる機能素子のさまざまな実施形態を示す。
【００５６】
図１０は、ガスダクト２内に取り付けられた、カットコーンとして形成された１組の同軸穿孔トレー２００を示し、軸方向に流れるガス１が、図示のようにダクトの周縁部に向かって半径方向に移動する液体２０１で処理される。補助液体２０１は、中空アクスル４内の内部パイプ５を通って供給される。内部パイプは、中空アクスルの壁を通る少なくとも１つのパイプ接続部を有し、そこから液体が最も内側の同軸トレーに吹き付けられる。液体を軸方向に、また同様に回転角に関して基本的に均一に分布させる構造が設けられているが、この構造は、詳細が本発明の一部ではないため、図示しない。また、同軸トレーをアクスルに対して固定する方法も図示しないが、これは、適当なステーを使用して容易に行われるであろう。液体はガスダクト２の周縁部で回収され、そこではダクト壁に取り付けられたリップ付きのリング２０２によって、液体が壁に沿って軸方向に移動しないようにしている。補助液体２０１は、ダクトの「天井」から垂れて外側のトレー上へ戻り、そこからダクト壁へはね戻され、最終的にダクトの最下点に達して、そこから排水されるであろう。
【００５７】
図１１は、図１０の一部の拡大図であり、図１１は、リング２０２が、ダクト内に軸方向に取り付けられたリップ２０３を有し、別のリップ２０４が半径方向に取り付けられている様子と共に、これらのリップが最も外周寄りに配置されたトレー２００と重なり合っている様子を示す。リング２０２およびリップ２０３、２０４は、同軸トレー配置の周縁部で回収された液体用のチャネルを形成しており、このチャネルは液体を重力によってダクトの底部の方へ流し、そこから排水してリサイクルできるようにする。液体はまた、リング２０２およびリップ２０３、２０４によって形成された排水チャネルに入らないで、ガスダクト２の内壁にはね飛ばされてダクト底部まで進むであろう。図１０および図１１から、同軸トレーは、ガスが流入する端部で最大幅になったカットコーンとして形成されていることは明らかである。これは、処理液体２０１が１つのトレーから次へ進む間に、ガスの軸流速度成分がそれをガス流の下流側へ移動させた後、処理液体２０１をガス流の上流側へ戻すために、遠心効果を利用するためである。別の１組のリップおよびリング２０７をトレーのガス上流側端部に追加して、そこではね飛んだ液体を捕らえるようにしてもよい。トレーは、図１１に示されているようなバックドリップ(back drip)回収リップ２０８を備えてもよい。この機構の機能は、吸収剤が処理できないほど高速で回転した場合にトレーの幅広側端部ではね飛ばされる液体を捕らえることである。同様に、別の１組のドリップ回収リップ２０９をトレーの（ガス流に関して）下流側端部に取り付けて、トレーの回転速度が低速すぎて液体を上流へ押し進めることができなくなった時、ガス風衝撃のためにトレー上を流れる液体を捕らえるようにしてもよい。バックドリップ回収リップの取り付けは、たとえば、それをトレー２００に連結するステーによって行われる。
【００５８】
図１２は、カットシリンダとして形成された同軸穿孔トレー２０１の例を示し、すべてのトレーがガスダクト２の壁に平行である。ガス１の軸流速度効果のために、仮想線２１０の右側（すなわち、下流側）へ導入された処理液体２０１がトレーから運び去られ、したがって失われるため、この線の右側のトレー部分は物質移動で意図された役目をまったく果たすことができない点を除けば、他の点では図１０および図１１のものと同様である。円筒形トレーでも、図１１で説明したようなバックドリップ回収リップ２０８、２０９を取り付けることが好都合であるが、この場合、トレーの両端部にそれを使用するケースと同一である。
【００５９】
図１３は、トレー２０１の無効部分を取り除いた点以外では、図１２に示したトレーの一種を示し、これによって、重量および材料の無駄がなくなる。
【００６０】
図１４は、図１２および図１３のトレーの変更例であって、トレー２００が図示のようにずれている。ずらし線(staggering line)２１０は、ガス１の軸流速度と、処理液体２０１が１つのトレー２００と次のトレーとの間のギャップを横切るためにかかる時間とによって決定される。この構造では、ダクト断面全体で物質移動のためにガス１および処理液体２０１が接触するトレーの等しい活動長さを使用可能にしながら、トレーをより単純な円筒形状に構成することができ、したがって、処理流体は軸方向にトレーから押し流されない(and the treating liquid is thus not swept off the trays)。やはり従来装置の場合のような飛沫同伴があるであろう。この実施形態では、下流側の機能素子の中央部分を隣接の（ガス流に関して）上流側の周縁部分と重ね合わせることができる。
【００６１】
図１０および図１２〜図１４に示されたトレー２００は、物質移動に関して同様な性能を有するであろうが、処理流体の流れパターンが異なることは明らかである。図１０に示された例は、ガスによって下流側へ引きずられた液体が、カットコーン形トレーの遠心作用によってガス内で上流側へ戻されるという利点を有する。この実施形態は、液体がガスで運ばれる距離がガスの速度によって決まるという欠点を有する。したがって、ガス負荷(gas load)にターンダウンがある場合、バックドリップ回収リップが設けられていても、液体が上流側でトレーからはね飛ばされるのを防止するためにトレーの回転速度を調整する必要があるであろう。図１４の例では、液体の軸方向移動に影響を与えることなく、回転速度を調整する自由があるが、ガス速度が大きく変更された場合、やはり液体がトレーから離れるため、バックドリップ回収リップを取り付けるケースが生じる。負荷のターンダウンおよびターンアップおよび／または新しいいわゆる定常状態に関連した動力学が、この論点をさらに複雑にするであろう。たとえば、遠心効果は回転速度および中心からの距離によって変化するであろう。
【００６２】
図１５ａ、ｂ、ｃおよびｄは、トレーに溝を形成して、溝がガスの軸方向移動を促進するようにした構造を示す。溝２２５のパターンは、図２に示されたようなブレードパターンまたは図３に示されたようならせんベーンパターンのいずれでもよい。逆にした溝２２７の断面の２つの形状が、図１５ｃおよび図１５ｄに示されている。溝は連続的である必要はなく、不連続的で、図２に示されているようなブレードパターンに形成してもよい。
【００６３】
図１６は、先行図面の場合のように、内部をガス１が軸方向に移動し、補助流体（図示せず）が半径方向に移動するパッキング２３０からなる物質移動用の機能素子に基づいたガス処理構成部材３を作製する別の方法を示す。先行のものと同様に、機能素子は、中空アクスル４に取り付けられている。パッキングは、外側穿孔トレーまたはプレート２３１によって所定位置に保持されている。複数層のそのようなパッキングまたは穿孔プレートを予想することができる。
【００６４】
図１７ａおよび図１７ｂは、図１６のパッキング２３０を積層し、層間に穿孔トレー２００を配置した様子を示す。端面図が図１７ａに示され、側面図が図１７ｂに示されている。曲線２４６は、ガスの軸方向移動を促進するための推進効果をガスに与えるために、トレー２００に垂直に設けられた開放チャネルまたはバッフルのいずれかとして解釈されたい。
【００６５】
図１８〜図２２は、ミスト除去に使用される機能素子の異なった実施形態を示す。
【００６６】
図１８は、本発明に従ったデミスタの第１の実施形態を示す。機能素子３１０は、図示のようなファンブレード形に形成でき、好ましくは到来ガスに面する表面である表面３１１を何らかの形のマットで被覆または構成することができる。これは、たとえば、「アストロターフ(Astroturf)ドアマット」のようにピンが突出したシートか、「ニットメッシュ(Knit-Mesh)」または同様な製品のような編み地構造によって覆われたシートにすることができる。この実施形態は、その他の点では特に図２を参照して説明したものと同様である。
【００６７】
図１９は、多孔質パッキング３２０をアクスル４の周囲に固定した様子を示す。パッキング３２０の外表面は、パッキングを所定位置に保持し、かつ／または捕らえられて周縁部に向けて排出された液体を回収するために層３２１を設けることによって仕上げられている。液体を滴り落とすか、内部にアセンブリを取り付けたダクト壁の方へ投げ飛ばすために、層を穿孔することができる。特に図２２を参照しながら、無穿孔層を使用する場合を後述する。多孔質エレメント３２０を、そのエレメント材料、中空アクスル４および外層３２１によって包囲されたらせん形空隙を形成するように作製することも実現可能である。この方法はすでに、パック式物質移動パッキング（図１７）について説明済みである。
【００６８】
図２０は、機能素子３３０からなる、厚紙およびマッチで形成された構成部材３の立体模型を示す写真であり、主ウィング３３１がアクスル４に固定され、これらのウィングから補助エレメント３３２が突出して、同伴液滴が外周に向けて投げ飛ばされる前に機能素子と衝突して他の回収液滴と合体する可能性を最大にしており、外周で液体は最終的にダクト壁へ進み、そこで排水される。第３構造体を補助構造体に取り付けてもよく、これらの第３構造体は可撓性を有し、任意であるがモップのようでもよい。
【００６９】
図２１ａおよび図２１ｂは、図２のブレードまたは図３のらせんベーンの可能な形状を示す。図面は、アクスル表面に平行な平面であり、曲率または遠近感をまったく示そうとしていない。形成されたブレードまたはらせんベーンは、湾曲（図２１ｂ）または直線（図２１ａ）表面３４０のいずれでもよい。一般的に、最も突出した点に排水チャネル３４２が設けられている。これは、標準的な波板（シェブロン）デミスタに共通である。
【００７０】
図２２は、機能素子をデミスタ装置３５０として使用するように構成する方法を示す。それは、先行のものと同様にアクスル４に取り付けられており、素子は外周上の最外側が穿孔層３５１で仕上げられている。さらに、（質量の力の場(mass force field)は常に半径方向外向きであるため）その層を折り曲げて水溜め３５３を形成し、それの下流側縁部にリップ３５２を設けて、あふれた液体を捕らえて排水部へ送る様子も示している。図２２に示された機構は、熱伝達および物質移動に使用されるものを含めた他の機能素子にも適用可能であることは明らかである。
【００７１】
図２３は、外周で回収された液体をダクトの底部の方へ排出する方法に関するさらなる技術的解決策を示す。ベーン４０１をガスダクト２の周縁部のまわりに取り付ける方法を示す。ベーンの角度は、ベーンが回転機能素子４００から引くことができる接線上か、それから２〜３度ずれた位置にあるようにするものである。このことは、回転素子からはね飛ばされた液滴が、ベーンの間に向かうか、その上に着地することを意味する。次に、液滴は直接的にダクト壁２に当たるか、ベーンから、おそらくは補助ベーン４０２を経てその上に落ちるであろう。機能素子の周縁部が上方へ移動する側には、任意であるが２組のベーンが設けられている。素子に最も近い組は、前述した位置にある（４０１）が、ダクト壁に最も近い第２組（４０２）は逆向きに傾斜して、液体をできる限りダクト壁の方へ案内して、そこから排出できるようにする。この構造は、ダクト壁から機能素子へ垂れ落ちて壁にはね戻されるだけである液体を最小に抑える。
【００７２】
すべての主要ガス処理装置をガスダクトの内部に配置することによって、当然ながら処理装置間の配管がまったくない。したがって、配管コストが削減される。容器からパイプへ、またパイプから容器へ流れることによるガス流断面積の一般的な収縮および膨張が排除されるため、処理中の圧力降下も減少する。処理装置にファン作用を追加することによって、等圧処理が達成されるであろう。アセンブリの回転によって発生する機能素子のまわりの乱流の増加によって、熱伝達および物質移動が強化される。処理のこの強化によって、処理装置の台数が減少した。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による装置の概略図である。
【図２】  ブレード形機能素子を備えた１つの構成部材を示す。
【図３】  スクリュー形機能素子を備えた１つの構成部材を示す。
【図４】  本発明に従った装置内の補助流の迂回経路を示す。
【図５】  本発明に従った装置内の補助流の迂回経路を示す。
【図６】  本発明に従った装置内の補助流の迂回経路を示す。
【図７】  本発明に従った装置内の補助流の迂回経路を示す。
【図８】  熱交換器の機能素子のさまざまな実施形態を示す。
【図９】  図８に示された機能素子の別の変更例を示す。
【図１０】  機能素子がカットコーンとして形成された同軸穿孔トレーである吸収用構成部材の側面図である。
【図１１】  図１０の同軸トレーの詳細図である。
【図１２】  機能素子がカットシリンダとして形成された同軸穿孔トレーである吸収用構成部材の側面図である。
【図１３】  図１２の変更例を示す。
【図１４】  図１２のさらなる変更例を示す。
【図１５】  軸方向ガス流用のパック式吸収剤を備えた１つの構成部材を示す。
【図１６】  図１５のパック式吸収剤の１つの実施形態を示す。
【図１７】  図１０〜図１４のトレーに、トレーシリンダのまわりにらせん状に延在する溝を設ける方法を示す。
【図１８】  ミスト除去に使用される機能素子の１つの実施形態を示す。
【図１９】  ミスト除去に使用される機能素子の別の実施形態を示す。
【図２０】  機能素子の１つの実施形態を示す写真である。
【図２１】  図２のブレードまたは図３のらせん体の可能な形状を示す。
【図２２】  外周部に回収された液体をダクトの底部の方へ排出する方法を示す。
【図２３】  外周部に回収された液体をダクトの底部の方へ排出する方法を示す。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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【図１５ｄ】
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【図１６】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１ａ】
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【図２１ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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