(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼炉又は燃焼室の熱で蒸気を生成し、ボイラブロー水を排出するボイラと、
前記燃焼炉又は前記燃焼室から発生する排ガスを処理し、排ガス処理排水を排出する排ガス処理装置と、を備えるプラントにおいて、
前記排ガス処理排水をストリッピング処理してアンモニアを回収し第１アンモニア濃縮液を製造する第１アンモニア回収装置と、
前記第１アンモニア濃縮液を前記ボイラブロー水とともにストリッピング処理してアンモニアを回収し第２アンモニア濃縮液を製造する第２アンモニア回収装置と、
前記第２アンモニア回収装置から排出された前記ボイラブロー水を通液させて、透過水を得ると共に残存アルカリ成分を含むイオン濃縮液とに分離するイオン除去装置と、
前記透過水を電解して水素を製造する水電解装置と、
前記イオン濃縮液をアルカリ源として投入する前記プラントの有機若しくは無機排水処理設備を備える水素及びアンモニア製造システム。
【請求項２】
前記第１アンモニア濃縮液が流れる第１流路と、前記第１流路におけるアンモニア濃縮液のアンモニア量と、前記ボイラブロー水のアンモニア量の比が所定値以上の場合に、前記第１流路から前記所定値を下回らない程度の第１アンモニア濃縮液を流通させる第２流路と、を備え、
前記ボイラブロー水は前記第２アンモニア回収装置の第３位置に供給され、
前記第２流路の前記第１アンモニア濃縮液は、前記第２アンモニア回収装置の鉛直方向において前記第３位置とは異なる第４位置に供給される請求項１に記載の水素及びアンモニア製造システム。
【請求項３】
前記第１アンモニア濃縮液の一部が前記第１アンモニア回収装置に循環する第１循環路を備え、前記排ガス処理排水は、前記第１アンモニア回収装置の第１位置に供給され、
前記第１循環路を通る第１アンモニア濃縮液は、前記第１アンモニア回収装置の前記第１位置とは異なる第２位置に供給される請求項２に記載の水素及びアンモニア製造システム。
【請求項４】
前記第２アンモニア濃縮液の一部が前記第２アンモニア回収装置に循環する第２循環路を備え、前記第２循環路を通る第２アンモニア濃縮液は前記第２アンモニア回収装置の鉛直方向において前記第３位置と異なる第５位置に供給される請求項３に記載の水素及びアンモニア製造システム。
【請求項５】
前記排ガス処理装置より排出された排ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離装置と、
前記二酸化炭素分離装置により分離された前記二酸化炭素と前記水素とからメタンガスを製造するメタネーション装置及び/または、
前記二酸化炭素分離装置により分離された前記二酸化炭素と前記第２アンモニア濃縮液とから尿素を製造する尿素製造装置を備える請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の水素及びアンモニア製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室およびボイラを備えた燃焼プラントの排水を利用して水素及びアンモニアを製造するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃焼プラントの排水に含まれるアンモニアを除去するために、イオン交換による手法やストリッピングによる手法が知られている。
特許文献１には、ボイラブロー排水をカチオン交換体に通液してアンモニアをカチオン交換体に捕捉させ、カチオン交換体に対して再生処理を行うことでアンモニア濃縮排水を取得する手法が記載されている。カチオン交換体の再生処理においては、塩酸、硫酸、水酸化ナトリウム等の薬品が添加される。また、アンモニア濃縮排水をアンモニア回収装置へ導入し、ストリッピングによりアンモニアを気相に移行させてアンモニアガスとして回収することも記載されている。
【０００３】
特許文献２には、硬度成分を含むアンモニア含有排水（排煙脱硫装置の排水）のストリッピングに際し、アンモニア含有排水をストリッピング装置（アンモニア放散塔）へ導入する前に硬度成分を除去する手法が記載されている。まず、アンモニア含有排水にアルカリが添加され、ｐＨ（水素イオン指数）が８〜１４に調整される。続いて、凝集助剤が添加され、沈殿物として析出された硬度成分が除去される。沈殿物を含まない上澄排水は、酸の添加によりｐＨが調整されてストリッピング装置へと供給され、ストリッピングによりアンモニアガスが回収される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2019-098206号公報
【特許文献２】特開2007-175673号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術では、カチオン交換体の再生処理、すなわち、カチオン交換体に捕捉されたアンモニアを取り出すための薬品が大量に必要となり、アンモニア濃縮排水を得るためのコストが高い。特許文献２の技術においても、ｐＨを調整するための薬品が大量に必要となり、薬品コストの問題を解決できない。
また両者を混合してから処理しようとすると排ガス処理水のスケール成分が増えてボイラブロー水のアンモニア濃度が薄くなるので、前処理に係る薬剤を多量に添加する必要が生じる。従って、既存の技術では、プラントの排水に含まれる有価物を効率的に回収することができなかった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題に鑑み案出されたものであり、プラントの排水から有価物を効率よく安価に生成できるようにした水素及びアンモニア製造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】
本発明の水素及びアンモニア製造システムは、
燃焼炉又は燃焼室の熱で蒸気を生成し、ボイラブロー水を排出するボイラと、
前記燃焼炉又は前記燃焼室から発生する排ガスを処理し、排ガス処理排水を排出する排ガス処理装置と、を備えるプラントにおいて、
前記排ガス処理排水をストリッピング処理してアンモニアを回収し第１アンモニア濃縮液を製造する第１アンモニア回収装置と、
前記第１アンモニア濃縮液を前記ボイラブロー水とともにストリッピング処理してアンモニアを回収し第２アンモニア濃縮液を製造する第２アンモニア回収装置と、
前記第２アンモニア回収装置から排出された前記ボイラブロー水を通液させて、透過水を得ると共に、残存アルカリ成分を含むイオン濃縮液とに分離するイオン除去装置と、
前記透過水を電解して水素を製造する水電解装置と、
前記イオン濃縮液をアルカリ源として投入する前記プラントの有機若しくは無機排水処理装置を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の水素及びアンモニア製造システムによれば、アンモニア含有排水である排ガス処理排水をストリッピング処理して第１アンモニア濃縮液を回収し、当該第１アンモニア濃縮液をアンモニア含有排水であるボイラブロー水とともにストリッピング処理することで、ボイラブロー水から第２アンモニア濃縮液を回収できる。これらの排水を個々に処理してアンモニアを回収したりこれらの排水を混合して処理したりするよりも、必要な薬品量を低減させてコストを削減できる。また第２アンモニア濃縮液が回収された残りのボイラブロー水からイオン除去装置を利用して得られた透過水は、水電解して水素を製造できる。従って、本発明の水素及びアンモニア製造システムは、プラントのアンモニア含有排水から有価物を効率よく安価に生成できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る第１変形例を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る第２変形例を示すブロック図である。
【図４】本発明に係る第２変形例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図１〜図４を参照して、本発明の水素及びアンモニア製造システムについて説明する。本発明においてイオン形であるか分子形であるかを区別する必要がない場合では、「アンモニア」との表記はアンモニア分子とアンモニウムイオンの両方を含む。従って「アンモニア含有排水」にはアンモニウムイオンの形態でアンモニアを含む排水も含まれる。
図中において、数字のみの符号は、本発明の実施例及び変形例において本システムに関係する装置、部品、部位等の物理的な要素を表す。また、アルファベットのＦと数字とを組み合わせた符号は、本システムで生じる液体や気体などの流体（Fluid）を表し、アルファベットのＰと数字とを組み合わせた符号は位置（Position）を表す。なお、以下に示す実施例及び変形例は、あくまでも例示に過ぎず、明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。また、以下の各構成は、本発明に必須の構成を除いて必要に応じて取捨選択でき、あるいは公知の構成と組み合わせ可能である。
【００１１】
［１．実施例］
［Ａ．構成］
図１は、実施例に係る水素及びアンモニア製造システム１を示すブロック図である。水素及びアンモニア製造システム１は、燃焼室（又は燃焼炉）１１の熱で蒸気を生成するボイラ１６と、燃焼室１１の排ガスを処理し、排ガス処理排水Ｆ１を排出する排ガス処理装置１９と、を少なくとも備えるプラント１０と、プラント１０の排ガス処理排水Ｆ１を放散処理して含有されるアンモニアを回収し、第１アンモニア濃縮水Ｆ４を製造する第１アンモニア回収装置２１と、プラント１０のボイラブロー水Ｆ３を第１アンモニア濃縮液２１と共に放散処理して第二アンモニア濃縮水Ｆ８を製造する第２アンモニア回収装置２４と、第２アンモニア回収装置２４の排水Ｆ９から残存するアルカリ成分を除去するイオン除去装置２７と、アルカリ成分が除去された透過水Ｆ１１を水電解して水素Ｆ１２を製造する水電解装置２８と、を少なくとも備えた有価物生成施設２０と、イオン除去装置２７で除去されたアルカリ成分であるイオン濃縮液Ｆ１０をアルカリ源として使用し、プラント１０から排出されるプラント排水Ｆ１６を放流可能になるまで処理する有機及び無機排水処理装置を備えた総合排水処理装置４０とを備える。
プラント１０としては燃焼室と燃焼室の熱で蒸気を生成するボイラを備えたプラント、すなわち燃焼プラントであれば適用可能であり、例えば、廃棄物焼却プラント、火力発電プラント、化学プラント等の種々のプラントに適用することができる。ただし水素及びアンモニア製造システム１が適用されるプラントは、図１の全ての構成が同一の敷地に配置される必要はなく、図1の複数の構成が互いに別個の敷地に配置されていてもよい。この場合、適宜、パイプラインや自動車などの運送経路を継続して、水素及びアンモニア製造システム１を構成すればよい。有価物生成施設２０及び総合排水処理装置４０は、プラント１０の付帯設備としてプラント１０と同一の敷地内に配置して構成されていてもよく、また互いに別個の敷地に配置され、適宜、パイプラインや自動車などの運送経路を継続して、水素及びアンモニア製造システム１を構成してもよい。
【００１２】
では、図１の各構成及び効果について、説明する。
プラント１０について、燃焼室１１（又は燃焼炉）は、燃料を燃焼させる設備である。プラント１０が例えば廃棄物焼却プラントの場合、一般的に燃料は廃棄物（都市ごみや産業廃棄物）であり、また、火力発電プラントや化学プラントの場合、一般的に、燃料は石炭、石油、天然ガス、木質系バイオマス、発酵等で生成したバイオガス等のグリーンフュエルなどである。また、燃焼室１１の燃料としてはアンモニアや水素、例えばアンモニア製造システム１で製造したアンモニアや水素を使用しても良い。なお、燃焼室１１は、後述するボイラ１６に付随した設備として設けられる（例えば、ボイラ１６に内蔵される）場合もある。
【００１３】
燃焼室１１で発生する排ガスは、煙道を通じて次のように順次流れ、煙突１５から大気中へと排出される。すなわち、排ガスは、排ガスを除塵する集じん装置１３及び集じん装置１３で除塵された排ガスから石灰石膏法等の手法を用いて硫黄酸化物（ＳＯｘ）などの有害成分を除去する湿式処理装置１４を少なくとも備えた排ガス処理装置１８と、有害成分が除去された排ガスを大気放出する煙突１５の順に流れる。  ここで、燃焼室１１から湿式処理装置１４までの間には、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するため、アンモニア供給装置１２から窒素酸化物の還元剤としてアンモニアまたはアンモニア態窒素を含有した薬品（脱硝剤）が供給される。湿式処理装置１４からアンモニア含有排水である排ガス処理排水Ｆ１が排出される。また、排ガス処理排水Ｆ１はＣａ２＋やＭｇ２＋のスケール成分を含有する。排ガス処理水Ｆ１のアンモニア濃度としては、５０〜５０,０００mg/L、好ましくは１，０００〜２０，０００ｍｇ/Ｌ、より好ましくは２，０００〜１０，０００ｍｇ/Ｌ程度である。排出された排ガス処理排水Ｆ１は、後述する有価物生成施設２０の第１アンモニア回収装置２１に導入される。排ガス処理排水Ｆ１は図示しない排水貯留槽に貯留されてから第１アンモニア回収装置２１に導入されてもよい。
【００１４】
ボイラ１６は、燃焼室１１の熱を回収して蒸気Ｆ２を生成する装置である。ボイラ１６は、水道水や工業用水などから純水を製造する純水製造装置５０、製造された純水にｐＨ調整剤などの添加剤を添加する添加剤供給装置５１、当該薬品が添加された純水（ボイラ水）を貯留する蒸気ドラム５２、蒸気ドラム５２に貯留されたボイラ水を排ガスの熱で蒸気Ｆ２にする伝熱管や過熱管などの熱回収器５３、熱回収器５３で生成され且つ蒸気ドラム５２に貯留された蒸気で羽根車を回転する蒸気タービン５４、蒸気タービン５４の羽根車の回転力で発電する発電機５５、蒸気タービン５４の羽根車を回転させた後の蒸気（廃蒸気）を水に戻す復水器５６、復水器５６で生成された復水から溶存ガスを除去して蒸気ドラム５２へ供給する脱気器５７を備える。
ここで添加される薬品の種類としては、例えば、清缶剤、防食剤（脱酸素剤）、スケール防止剤等が挙げられ、少なくとも腐食防止のためのアンモニアを含む。
ボイラ１６は、ボイラ水に含まれる各種成分の濃縮を防止すべく、ブロー配管を介してボイラ水の一部を外部へ排出（ブロー）する機構を有する。ボイラ１６の外部へ排出されるボイラ水のことを、ボイラブロー水Ｆ３と呼ぶ。ボイラブロー水Ｆ３は、添加剤で供給されたアンモニアを含む排水（アンモニア含有排水）であり、後述する有価物生成施設２０の第２アンモニア回収装置２２に導入される。防蝕性を考慮して、蒸気ドラム２１に貯留される水のｐＨ値を約９〜１０程度（例えば、ｐＨ値１０．３程度）とするため、ボイラブロー水Ｆ３は、ｐＨ値が約９〜１０程度である。ボイラブロー水Ｆ３は図示しない排水貯留槽に貯留されてから第２アンモニア回収装置２２に導入されてもよい。
発電機５５で発電された電力は、水素及びアンモニア製造システム１内の電力として利用され、余った電力は電力会社に売電することができる。蒸気Ｆ２はまた水素及びアンモニア製造システム１内外の熱利用設備に利用できる。
【００１５】
有価物生成施設２０は、プラント１０から排出される排水（アンモニア含有排水）を用いて有価物を製造する。有価物生成施設２０で製造される有価物の具体例としては、例えば、水素やアンモニアが挙げられ、尿素やメタンも製造される。
【００１６】
図1に示す有価物生成施設２０について、第１アンモニア回収装置２１は、ストリッピング処理により、排ガス処理排水Ｆ１に含まれるアンモニアを回収して第１アンモニア濃縮液Ｆ４を製造する装置である。また、第１ｐＨ調整剤供給装置２３は、第１アンモニア回収装置２１の内部におけるｐＨを調整するためのアルカリ薬剤（例えば、水酸化ナトリウム等）を供給する装置である。第１アンモニア回収装置２１には、例えば、充填材やトレイや分離筒で多段に区画された放散塔（ストリッピング塔）が、鉛直方向に長い一つの放散塔として、または、連続的に直列に接続した複数の放散塔として設けられる。図１の第１アンモニア回収装置２１では、一例として一つの放散塔を使用し、また、当該放散塔は、一例として２つのトレイで鉛直方向に３段に区画される。一つの放散塔を３つ以上のトレイなどで４段以上に区画してもよい。
【００１７】
第１アンモニア回収装置２１では、高温（約７０℃〜約９０℃）の排ガス処理排水Ｆ１が放散塔の上部から噴射される。排ガス処理排水Ｆ１は、霧状に拡散しながら放散塔の内部を徐々に下方へ降下する。一方、降下する排ガス処理排水Ｆ１に対向するように、放散塔の下部からは高温の蒸気が供給される。この蒸気は、放散塔の内部で霧状に拡散しながら上方へ移動する。このような排ガス処理排水Ｆ１と蒸気との気液接触により、排ガス処理排水Ｆ１中のアンモニアが気相に移行されて回収される。
ここで、第１アンモニア回収装置における排ガス処理排水のｐＨは８より大きく９．５未満で行うことが好ましい。ｐＨ８未満では、アンモニアの放散が困難である。
また、排ガス処理排水Ｆ1中のスケール成分であるＣａ２＋やＭｇ２＋の溶存量はｐＨに依存し、ｐＨ９．５を越えるとスケール成分が析出しやすくなる。排ガス処理排水Ｆ１にはスケール成分が多く含まれるため、第１アンモニア回収装置２１ではあえてｐＨを上げず、スケールの析出しづらいｐＨ範囲でストリッピングを実施する。
すなわち、排ガス処理排水Ｆ１はアンモニア濃度が比較的大きく、後述するようにボイラブロー水Ｆ３に混合するアンモニア源として必要な量のアンモニアを回収するためのストリッピングにおいては、過剰にｐＨを上昇させる必要がない。加えて、排ガス処理排水Ｆ１は高温（約７０℃〜約９０℃）でアンモニアが遊離しやすいため、スケールが生成されやすい領域までｐＨを上昇させる必要がない。従って、第１ｐＨ調整剤供給装置２３から供給されるアルカリ薬剤量を減らすことができ、薬品コストを削減できる。
【００１８】
気相に移行したアンモニア及び水蒸気は、放散塔の上部から排出され第１アンモニア濃縮液Ｆ４として回収された後、ボイラブロー水Ｆ３とともに第２アンモニア回収装置２２へと投入される。第１アンモニア濃縮液Ｆ４のアンモニア濃度は、例えば数％〜１０％程度である。なお、放散塔の下部から供給される蒸気には、ボイラ１６で生成された蒸気Ｆ２を利用してもよいし、他の蒸気を使用してもよい。また蒸気Ｆ２のなかでも、蒸気タービン５４に供給された後の廃蒸気を再利用すれば、蒸気利用のコスト削減を図ることができる。
【００１９】
第２アンモニア回収装置２２は、ストリッピング処理により、ボイラブロー水Ｆ３に含まれるアンモニアを回収して第２アンモニア濃縮液Ｆ８を製造する装置である。また、第２ｐＨ調整剤供給装置２４は、第２アンモニア回収装置２２の内部におけるｐＨを調整するためのアルカリ薬剤（例えば、水酸化ナトリウム等）を供給する装置である。第２アンモニア回収装置２２にも、第１アンモニア回収装置２１と同様の放散塔（ストリッピング塔）が設けられる。
【００２０】
第２アンモニア回収装置２２では、高温（約７０℃〜約９０℃）のボイラブロー水Ｆ３とともに第１アンモニア濃縮液Ｆ４が放散塔の上部から噴射される。本実施例では、第１アンモニア濃縮液Ｆ４とボイラブロー水Ｆ３を予め混合した混合液を噴射する。ボイラブロー水Ｆ３及び第１アンモニア濃縮液Ｆ４の混合液は、霧状に拡散しながら放散塔の内部を徐々に下方へ降下する。一方、降下する混合液に対向するように、放散塔の下部からは高温の蒸気が供給される。この蒸気は、放散塔の内部で霧状に拡散しながら上方へ移動する。このような混合液と蒸気との気液接触により、混合液中のアンモニアが気相に移行されて回収される。高濃度のアンモニアを含有する第１アンモニア濃縮液Ｆ４を、比較的低濃度のアンモニアを含有するボイラブロー水Ｆ３とともに第２アンモニア回収装置２２に投入することで、ボイラブロー水Ｆ３におけるアンモニア濃度を上昇させることができる。
また、ボイラブロー水Ｆ３及び第１アンモニア濃縮液Ｆ４は、含有するスケール成分が少ないため、スケールの析出を気にせずにｐＨを上げることができる。ここで混合液のｐＨは、第２ｐＨ調整剤供給装置２４からアルカリ剤を供給して例えば１０〜１２となるように調整することができる。このとき、ボイラブロー水Ｆ３及び第１アンモニア濃縮液は共にｐＨ値が高く、第２ｐＨ調整剤供給装置２４から供給するアルカリ剤の量は少なくて済む。
さらに、ボイラブロー水Ｆ３は高温（約７０℃〜約９０℃）であり、第１アンモニア濃縮液Ｆ４も高温のため、各液を加温するコストも少なくて済む。
このように第２アンモニア回収装置２２ではストリッピングによりアンモニアを回収する効率を上げることができる。
なお、第１アンモニア濃縮液Ｆ４とボイラブロー水Ｆ３を予め混合せずに第２アンモニア回収装置２２内に個別に噴射して第２アンモニア回収装置２２の内部で混合させるようにしてもよい。  
【００２１】
気相に移行したアンモニア及び水蒸気は、放散塔の上部から排出され、第２アンモニア濃縮液Ｆ８として回収される。第２アンモニア濃縮液Ｆ８のアンモニア濃度は、第１アンモニア濃縮液Ｆ４よりも高濃度となり、例えば約２５％〜約５０％となる。第２アンモニア濃縮液Ｆ８は、例えば、化学プラントやアンモニアガスタービン等のアンモニア利用設備４１に燃料又は原料として供給することができる。あるいは、第２アンモニア濃縮液Ｆ８をアンモニア供給装置１２から排ガス中に供給し、脱硝剤（ＮＯｘを窒素に還元する還元剤）として活用してもよいし、化成品の製造に利用してもよい。なお、放散塔の下部から供給される蒸気には、ボイラ１６で生成された蒸気Ｆ２を利用してもよいし、他の蒸気を使用してもよい。また蒸気Ｆ２のなかでも、蒸気タービン５４に供給された後の廃蒸気を再利用すれば、蒸気利用のコスト削減を図ることができる。
【００２２】
第１アンモニア回収装置２１の放散塔の下部には、アンモニアが除去された排水Ｆ５が滞留する。この排水Ｆ５は凝集処理槽２６に導入される。
凝集処理槽２６は、排水Ｆ５に含まれるスケール成分Ｆ７（例えば、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋等）を除去するための槽である。凝集処理槽２６には、排水Ｆ５中のスケール成分Ｆ７を凝集させるための凝集剤を供給する凝集剤供給装置２５が付設される。凝集剤供給装置２５で供給される凝集剤には、無機凝集剤（例えば、塩化第２鉄液等）を使用してもよいし有機凝集剤（例えば、高分子凝集剤等）を使用してもよい。排水Ｆ５中のスケール成分Ｆ７は、凝集処理槽２６の内部に固形物として析出するため、容易に除去することができる。また、排水Ｆ５からスケール成分Ｆ７が除去された凝集排水Ｆ６（上澄）は、総合排水処理装置４０に供給される。なお排水Ｆ５は凝集処理槽２６を設置せずに直接総合排水処理設備４０に供給してもよい。
【００２３】
第２アンモニア回収装置２２の放散塔の下部には、アンモニアが概ね除去された排水Ｆ９が滞留する。この排水Ｆ９はイオン除去装置２７に導入される。
イオン除去装置２７は、ストリッピング処理後に残存する排水Ｆ９中のアンモニアや水酸化ナトリウム等のアルカリ成分（不要イオン）を除去する装置である。イオン除去装置２７には、例えば、ＲＯ膜（逆浸透膜）やイオン交換樹脂（例えば、高温イオン交換樹脂）が充填されたイオン交換塔が設けられる。ＲＯ膜は、水中の水素イオン（Ｈ＋）や水酸化物イオン（ＯＨ−）を通過させ、その他のイオン（例えば、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、ＮＨ４＋等）の通過を阻止する膜である。また、イオン交換樹脂は、水中の不要イオンを水素イオンや水酸化物イオンに置換するゲル状の合成樹脂ビーズであり、例えば耐熱性のカチオン交換樹脂が使用される。これらの作用により、不要イオンが除去された透過水Ｆ１１と不要イオンを含有するイオン濃縮液Ｆ１０とに排水Ｆ９が分離される。ここで生成された透過水Ｆ１１は、水電解装置２８に供給される。また、アンモニア成分や他の残存アルカリ成分を含むイオン濃縮液Ｆ１０は、総合排水処理装置４０に供給され、有機又は無機排水処理におけるアルカリ源（アンモニア源）として再利用される。
これにより、イオン濃縮液Ｆ１０に含まれる残存アルカリ成分を排水処理用のアンモニア源として利用できる。言い換えれば、第２アンモニア回収装置２２の排水Ｆ９を資源として有効に再利用できる。また排水Ｆ９は第２アンモニア回収装置でアンモニアを回収された後の排水であり、アンモニアを回収するための薬品量が少なくて済む。
【００２４】
水電解装置２８は、イオン除去装置２７で生成された透過水Ｆ１１を電気分解し、水素Ｆ１２を製造する装置である。一般的に、水電解装置には、不純物のない、または不純物が極めて少ない水、純水または実質的に純水に相当する水が供給されて電気分解がなされる。従って透過水Ｆ１１は純水または実質的に純水に相当する水である。ここで生成された水素Ｆ１２は、例えば、化学プラントや燃料電池や水素ガスタービン等の水素利用設備４２に燃料又は原料として供給される。透過水Ｆ１１の電解時に生じうる酸素は、大気放出してもよいし、燃焼促進剤として燃焼室１１の内部に供給してもよいし、図示しない酸素貯留タンクに保存してもよい。
なお、一般的に、水電解装置は効率よく電気分解を行うため、常温の純水等を加温する加温装置を備えているが、常温の純水を加温するためのエネルギーは非常に大きくなる。しかし、実施例に係る水電解装置２８は当該加温装置に必要なエネルギーを少なくできる。なぜなら水電解装置２８の原料であるボイラブロー水Ｆ３は高温であり、イオン除去装置２７で分離される透過水Ｆ９の水温も高いため、常温よりも高温に調整しやすいからである。
【００２５】
総合排水処理装置４０は、プラントから排出される様々な排水を含むプラント排水Ｆ１６が処理される様々な装置、例えば有機系処理装置と無機系処理装置と、を有する排水処理用の施設である。有機系処理装置は、硝化槽、脱窒素槽、曝気槽等が設けられた生物処理（微生物の作用による排水処理）が実施される排水処理装置である。無機系処理装置は、無機系の水処理が実施される排水処理装置である。有機系処理装置には、例えば、硝化槽、脱窒素槽、曝気槽等が設けられ、硝化菌や脱窒菌等の働きにより排水中のアンモニアが窒素となって除去される。無機系処理装置には、例えば、薬品反応槽、沈殿槽、濾過槽等が設けられ、排水中の不純物や金属等が化学的に除去される。総合排水処理装置４０で処理後の排水はプラント１０、有価物生成施設２０並びに総合排水位処理装置４０内で再利用してもよく、また外部に放流してもよい。
【００２６】
［Ｂ．作用、効果］
一般的に、ストリッピング処理に適するアンモニア濃度は約２０００ｍｇ／Ｌ程度とされる。しかし、ボイラブロー水Ｆ３のアンモニア濃度は比較的低く、ストリッピング処理には不適であることが多い。例えば、ボイラブロー水Ｆ３の水温が約８０℃、排出量が約１５０ｍ３／日、アンモニア濃度が約６００ｍｇ／Ｌであり、排ガス処理排水Ｆ１の水温が約８０℃、排出量が約８０ｍ３／日、アンモニア濃度が３０００ｍｇ／Ｌであると仮定する。この場合、ボイラブロー水Ｆ３は排出量が多く、含まれるアンモニアの濃度が低いため、ボイラブロー水Ｆ３のみを用いてストリッピング処理をしたのでは、効率よくアンモニアを回収することが難しい。
【００２７】
これに対し、上記の水素及びアンモニア製造システム１では、まず、排ガス処理排水Ｆ１が第１アンモニア回収装置２１でストリッピング処理されてアンモニアが回収される。このとき、排ガス処理排水Ｆ１のｐＨが約９程度であっても、約８０℃の高温であれば遊離アンモニアは約９０％となり、すべての遊離アンモニアを回収すると、アンモニア濃度が約５４０００ｍｇ／Ｌの第１アンモニア濃縮液Ｆ４を約４ｍ３回収できる。回収された第１アンモニア濃縮液Ｆ４は、ボイラブロー水Ｆ３とともに第２アンモニア回収装置２２へ投入され、再びストリッピング処理される。
【００２８】
ここで、ボイラブロー水Ｆ３と第１アンモニア濃縮液Ｆ４との混合液のアンモニア濃度は約２０００ｍｇ／Ｌとなり、ストリッピング処理に適したアンモニア濃度が得られる。従って、第２アンモニア回収装置２２でのアンモニアのストリッピング効率が向上する。また、混合液のｐＨを調整して第２アンモニア回収装置２２でストリッピング処理すれば、第２アンモニア濃縮液Ｆ８として、例えば市中に流通する２５％濃度のアンモニア溶液が容易に得られる。
【００２９】
このとき、第２アンモニア回収装置２２から排出される排水Ｆ９に残存するアンモニアの濃度は、約２００ｍｇ／Ｌとなる。この排水Ｆ９をイオン除去装置２７に供給し、高温イオン交換樹脂を使用して濃縮すれば、残存アルカリ成分が濃縮されたイオン濃縮液Ｆ１０と透過水Ｆ１１とが得られる。ここで得られるイオン濃縮液Ｆ１０の体積は約６ｍ３となり、残存アルカリ成分の濃度は約５０００ｍｇ／Ｌとなる。残存アルカリ成分の濃度をアンモニア態窒素に換算すると、一日あたり約２００ｍ３までの有機排水処理におけるアルカリ源（アンモニア源）として利用することができ、有機系の生物処理における菌体の保持に好適である。
【００３０】
上記の水素及びアンモニア製造システム１では、排ガス処理排水Ｆ１から第１アンモニア濃縮液Ｆ４を第１アンモニア回収装置２１で製造して、この第１アンモニア濃縮液Ｆ４をボイラブロー水Ｆ３とともに第２アンモニア回収装置２２に投入して第２アンモニア濃縮液Ｆ８を製造することで、排ガス処理排水Ｆ１とボイラブロー水Ｆ３を個々に、あるいは排ガス処理排水Ｆ１とボイラブロー水Ｆ３を混合してストリッピング処理するよりも、効率よくアンモニアを回収できる。また、特許文献１や特許文献２の技術のように、薬品を多量に使用してボイラブロー水Ｆ３に含有されるアンモニアをわざわざ前処理で捕捉したり、薬品を多量に使用して排ガス処理排水Ｆ１のｐＨを調整してスケール成分を除去して再度ｐＨを調整したりする必要がなく、容易にアンモニアを回収できる。従って、上記の水素及びアンモニア製造システム１によれば、プラント１０の排水を有価物（例えば水素、アンモニア）や化成品の製造に再利用でき、プラント１０の排水から有価物を効率よく安価に生成できる。
【００３１】
［２．第１変形例］
図２は、第１変形例に係る水素及びアンモニア製造システム１′の構成を示すブロック図である。実施例で説明した構成と同一の構成については、同一の符号を付して構成及び効果の説明を適宜省略する。水素及びアンモニア製造システム１′は、第１アンモニア濃縮液Ｆ４の一部をボイラブロー水Ｆ３と異なる位置で第１アンモニア回収装置２２に供給する第２流路を備え、ボイラブロー水Ｆ３と第１流路の第１アンモニア濃縮液Ｆ４のアンモニア量の比が一定値以上のとき第１アンモニア濃縮液Ｆ４を第２流路に流す有価物生成施設２０′を有する。
【００３２】
有価物生成施設２０′において、第１アンモニア濃縮液Ｆ４をボイラブロー水Ｆ３と混合する第１流路６０と、第１流路６０から分岐して第１アンモニア濃縮液Ｆ４を第１アンモニア回収装置２２に供給する第２流路６１と、第２流路６１に流す第１アンモニア濃縮液Ｆ４の流量を調整する制御弁６２と、制御弁６２を制御する制御装置６３と、ボイラブロー水Ｆ３のアンモニア濃度を計測するアンモニア濃度計６４と、ボイラブロー水Ｆ３の流量を計測する流量計６５と、第１流路６０における第１アンモニア濃縮液Ｆ４のアンモニア濃度を計測するアンモニア濃度計６６と、第１流路６０における第１アンモニア濃縮液Ｆ４の流量を計測する流量計６７と、を備える。
制御装置６３は、各液のアンモニア濃度計と流量計で計測されるアンモニア濃度と流量の値からボイラブロー水Ｆ３に対する第１アンモニア濃縮液Ｆ４のアンモニア量の比を計算し、アンモニア量の比が所定値、例えば２以上となる場合に、ボイラブロー水Ｆ３には十分なアンモニア量が供給されるとみなし、調整弁６２を開いて、第２流路６１に、アンモニア量の比が所定値を下回らない程度の所定量、例えば第１流路の１/１０程度の第１アンモニア濃縮液Ｆ４を供給する。アンモニア濃度計の代わりに、例えばｐＨ計を設置して、計測されたｐＨ値からアンモニア濃度を求めてもよい。
さらに、第２アンモニア回収装置２２の鉛直方向において第１アンモニア濃縮液Ｆ４と混合したボイラブロー水Ｆ３の混合液が供給される位置を第３位置Ｐ３とし、第２流路６１を流れる第１アンモニア濃縮液Ｆ４が第２アンモニア回収装置２２に供給される鉛直方向の位置を第４位置Ｐ４とすると、第４位置Ｐ４は、第３位置Ｐ３と異なる位置に設定することが好ましく、より好ましくは、第４位置Ｐ４が第３位置Ｐ３よりも上方に設定される。
図２においては、内部が３つに区画された第２アンモニア回収装置２２において、第４位置Ｐ４が第３位置Ｐ３よりも上の区画に配置される。
また、第１流路の第１アンモニア濃縮液Ｆ４は、予めボイラブロー水Ｆ３と混合させずに、第２アンモニア回収装置２２内でボイラブロー水Ｆ３と混合する位置に供給されてもよく、例えば第３位置Ｐ３の近傍から第１アンモニア濃縮液を供給してボイラブロー水Ｆ３と混合してもよい。
【００３３】
第３位置Ｐ３と第４位置Ｐ４とを互いに相違させることで、各々の場所から供給される霧状の被処理液が放散塔の内部に遍なく拡散しやすくなり、アンモニアの気化効率を改善できる。さらに、第４位置Ｐ４を第３位置Ｐ３よりも上方に設定することで、第２アンモニア回収装置２２に供給された第１アンモニア濃縮液Ｆ４からアンモニアが気化するのに要する時間や距離が確保されやすくなり、アンモニアの気化効率をさらに改善できる。従って、第２アンモニア回収装置２２でのアンモニアの濃縮を促進できる。
【００３４】
［３．第２変形例］
図３は、第２変形例に係る水素及びアンモニア製造システム１″の構成を示すブロック図である。実施例で説明した構成と同一の構成については、同一の符号を付して構成及び効果の説明を適宜省略する。水素及びアンモニア製造システム１″は、第１アンモニア濃縮液Ｆ４の一部及び第２アンモニア濃縮液Ｆ８の一部を、第１アンモニア回収装置２１及び第２アンモニア回収装置２２のそれぞれに循環させる有価物生成施設２０″を有する。
【００３５】
有価物生成施設２０″において、第１アンモニア濃縮液Ｆ４の一部は、第１循環路３１を介して第１アンモニア回収装置２１に再投入される。同様に、第２アンモニア濃縮液Ｆ８の一部は、第２循環路３２を介して第２アンモニア回収装置２２に再投入される。このように、第１アンモニア濃縮液Ｆ４及び第２アンモニア濃縮液Ｆ８の一部を循環させることで、これらの濃縮液中に含まれるアンモニア濃度をさらに上昇させることができる。また、ボイラブロー水Ｆ３の流量変化に合わせて、より濃縮された第２アンモニア濃縮液Ｆ８を得ることができる。
【００３６】
ここで、排ガス処理排水Ｆ１が第１アンモニア回収装置２１に供給される鉛直方向の位置を第１位置Ｐ１とし、第１循環路３１から第１アンモニア濃縮液Ｆ４が再投入される鉛直方向の位置を第２位置Ｐ２とする。第２位置Ｐ２は、第１位置Ｐ１と同一位置に設定してもよいが、好ましくは第１位置Ｐ１とは異なる位置に設定される。また、より好ましくは、第２位置Ｐ２が第１位置Ｐ１よりも上方に設定される。図２においては、内部が３つに区画されたアンモニア回収装置２１において第２位置Ｐ２は最も上の区画に配置され、第１位置Ｐ１は第２位置Ｐ２よりも下の区画に配置される。なお、互いに鉛直方向に異なる位置であれば同位置の段に設置しても同様の効果を得ることができる。
【００３７】
第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２を互いに相違させることで、各々の場所から供給される霧状の被処理液が放散塔の内部に満遍なく拡散しやすくなり、アンモニアの気化効率を改善できる。また、排ガス処理排水Ｆ１と第１アンモニア濃縮液Ｆ４との混合による排ガス処理排水Ｆ１のｐＨ上昇を抑えることができ、スケール成分の析出を抑制できる。さらに、第１位置Ｐ１よりも上方に第２位置Ｐ２を設定することで、第１アンモニア回収装置２１に再投入された第１アンモニア濃縮液Ｆ４からアンモニアが気化するのに要する時間や距離が確保されやすくなり、アンモニアの気化効率をさらに改善できる。従って、第１アンモニア回収装置２１でのアンモニアの濃縮を促進できる。
【００３８】
同様に、第２循環路３２から第２アンモニア濃縮液Ｆ８が再投入される鉛直方向の位置を第５位置Ｐ５とする。
第５位置Ｐ５は、第３位置Ｐ３や第４位置Ｐ４と同一位置に設定してもよいが、好ましくは第３位置Ｐ３や第４位置Ｐ４とは異なる位置に設定される。また、より好ましくは、第５位置Ｐ５は第３位置Ｐ３や第４位置Ｐ４よりも上方に設定される。
【００３９】
第３位置Ｐ３と第４位置Ｐ４と第５位置Ｐ５とを互いに相違させることで、各々の場所から供給される霧状の被処理液が放散塔の内部に満遍なく拡散しやすくなり、アンモニアの気化効率を改善できる。さらに、第５位置Ｐ５を第３位置Ｐ３や第４位置Ｐ４よりも上方に設定することで、第２アンモニア回収装置２２に再投入された第２アンモニア濃縮液Ｆ８からアンモニアが気化するのに要する時間や距離が確保されやすくなり、アンモニアの気化効率をさらに改善できる。従って、第２アンモニア回収装置２２でのアンモニアの濃縮を促進できる。
従って、この水素及びアンモニア製造システム１″によれば、プラント１０の排水を有価物（例えば水素、アンモニア）や化成品の製造に再利用でき、プラント１０の排水から有価物を効率よく安価に生成できる。
【００４０】
［４．第３変形例］  
図４は、第３変形例に係る水素及びアンモニア製造システム１″′の構成を示すブロック図である。実施例及び第１変形例で説明した構成と同一の構成については、同一の符号を付して構成及び効果の説明を適宜省略する。第２変形例に係る水素及びアンモニア製造システム１″′は、二酸化炭素分離装置１８を有するプラント１０″′に適用されるとともに、尿素製造装置３３及びメタネーション装置３４を備えた有価物生成施設２０″′を有する。
【００４１】
二酸化炭素分離装置１８は、排ガスに含まれる二酸化炭素Ｆ１３を回収するための装置である。二酸化炭素Ｆ１３の回収手法としては、公知の各種手法を採用できる。例えば、高分子分離膜（二酸化炭素分離膜）を用いて、二酸化炭素Ｆ１３を排ガス中から回収してもよい。あるいは、二酸化炭素Ｆ１３に対する吸収性能や吸着性能が高い媒体を排ガスに接触させて回収してもよい。固体の媒体を用いる場合、活性炭やゼオライトに排ガス中の二酸化炭素Ｆ１３を吸着させ、加熱や除圧によりその二酸化炭素Ｆ１３を回収すればよい。また、液体の媒体を用いる場合、アミン溶液や炭酸カリウム水溶液やアンモニア溶液等に二酸化炭素Ｆ１３を吸収させて回収してもよい。
【００４２】
回収された二酸化炭素Ｆ１３と、上記水素及びアンモニア製造システム１で製造された水素Ｆ１２及びアンモニア濃縮液Ｆ８とを用いることで、さまざまな用途に利用可能である。
図３においては、回収された二酸化炭素Ｆ１３とアンモニア濃縮液Ｆ８を尿素製造装置３３に、回収された二酸化炭素Ｆ１３と水素Ｆ１２をメタネーション装置３４に供給することができる。
尿素製造装置３３は、二酸化炭素Ｆ１３及び第２アンモニア濃縮液Ｆ８を合成して尿素Ｆ１４（ＣＨ４Ｎ２Ｏ）を生成する装置である。尿素製造装置３３には、高温高圧状態を維持するための反応器（無触媒容器）が設けられ、その内部で尿素Ｆ１４が生成される。ここで生成された尿素Ｆ１４は、尿素利用設備４３に供給される。尿素利用設備４３には、例えば、化学プラントや尿素Ｆ１４を肥料として使用する植物工場等が含まれる。
【００４３】
メタネーション装置３４は、二酸化炭素Ｆ１３及び水素Ｆ１２を合成してメタンＦ１５（ＣＨ４）を生成する装置である。ここでは、例えば、共電解反応を介したメタン化反応やサバティエ反応によりメタンＦ１５が合成される。メタネーション装置３４には、メタン合成に係る触媒が内蔵された反応器（触媒容器）が設けられ、その内部でメタンＦ１５が生成される。ここで生成されたメタンＦ１５は、メタンガス利用設備４４に供給される。メタンガス利用設備４４には、例えば、メタンＦ１５を燃料（都市ガス）として使用する建物及び設備（ガス管）や、メタンＦ１５を燃焼させて発電するガスエンジン等が含まれる。
【００４４】
上記の通り、プラント１０″′に二酸化炭素分離装置１８を設けることで、排ガス中の二酸化炭素Ｆ１３を除去することができ、煙突１５から放出される二酸化炭素Ｆ１３の排出量を大幅に削減できる。また、有価物生成施設２０″′に尿素製造装置３３を設けることで、上記の二酸化炭素Ｆ１３と有価物生成施設２０″′で製造された第２アンモニア濃縮液Ｆ８を利用して容易に尿素Ｆ１４を生成できる。さらに、有価物生成施設２０″にメタネーション装置３４を設けることで、上記の二酸化炭素Ｆ１３と有価物生成施設で製造された水素Ｆ１２を利用して容易にメタンＦ１５を生成することができる。従って、この水素及びアンモニア製造システム１″′によれば、プラント１０″′の排水を有価物（例えば水素、アンモニア、尿素、メタン）や化成品の製造に再利用でき、プラント１０″′の排水から有価物を効率よく安価に生成できる。
【符号の説明】
【００４５】
１、１′、１″  水素及びアンモニア製造システム
１０、１０″、１０″′  プラント
１１  燃焼室（燃焼炉）
１２  アンモニア供給装置
１３  集じん装置
１４  湿式処理装置
１５  煙突
１６  ボイラ
１８  二酸化炭素分離装置
１９  排ガス処理装置
２０、２０′、２０″、２０″′  有価物生成施設
２１  第１アンモニア回収装置
２２  第２アンモニア回収装置
２３  第１ｐＨ調整剤供給装置
２４  第２ｐＨ調整剤供給装置
２５  凝集剤供給装置
２６  凝集処理槽
２７  イオン除去装置
２８  水電解装置
３１  第１循環路（循環路）
３２  第２循環路
３３  尿素製造装置
３４  メタネーション装置
４０  総合排水処理装置
４１  アンモニア利用設備
４２  水素利用設備
４３  尿素利用設備
４４  メタンガス利用設備
５０  蒸気タービン
５１  復水器
５２  脱気器
５３  発電機
５４  純水製造装置
６０  第１流路
６１  第２流路
６２  制御弁
６３  制御装置
６４  アンモニア濃度計
６５  流量計
６６  アンモニア濃度計
６７  流量計
Ｆ１  排ガス処理排水
Ｆ２  蒸気
Ｆ３  ボイラブロー水
Ｆ４  第１アンモニア濃縮液
Ｆ５  排水
Ｆ６  凝集排水
Ｆ７  スケール成分
Ｆ８  第２アンモニア濃縮液
Ｆ９  排水
Ｆ１０  イオン濃縮液
Ｆ１１  透過水
Ｆ１２  水素
Ｆ１３  二酸化炭素
Ｆ１４  尿素
Ｆ１５  メタン
Ｆ１６  プラント排水
Ｐ１  第１位置
Ｐ２  第２位置
Ｐ３  第３位置
Ｐ４  第４位置
Ｐ５  第５位置
【要約】
【課題】水素及びアンモニア製造システムに関し、プラントの排水から有価物を効率よく安価に生成する。
【解決手段】水素及びアンモニア製造システム１は、ボイラブロー水Ｆ３を排出するボイラ１６と、排ガス処理排水Ｆ１を排出する排ガス処理装置１４とを備えるプラント１０において、排ガス処理排水Ｆ１をストリッピング処理して第１アンモニア濃縮液Ｆ４を製造する第１アンモニア回収装置２１と、ボイラブロー水Ｆ３及び第１アンモニア濃縮液Ｆ４をストリッピング処理して第２アンモニア濃縮液Ｆ８を製造する第２アンモニア回収装置２２と、第２アンモニア回収装置２２から排出されたボイラブロー水Ｆ９をプラント１０の排水処理におけるアルカリ源となるイオン濃縮液Ｆ１０と透過水Ｆ１１とに分離するイオン除去装置２７と、透過水Ｆ１１を電解して水素Ｆ１２を製造する水電解装置２８と、を備える。
【選択図】図１【図１】
0006934126.tif 000002
【図２】
0006934126.tif 000003
【図３】
0006934126.tif 000004
【図４】
0006934126.tif 000005