JP2005279640A - 排ガスの処理方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】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方法を提供する。
【解決手段】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及び硫黄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し、 前記排ガスを二酸化炭素を固化させる第２の温度に冷却することにより前記排ガスに含まれる二酸化炭素を固化させて前記排ガスから分離するようにする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、排ガスの処理方法及びシステムに関し、特に、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。

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。

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。
特開２０００−３１７３０２号公報

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。

本発明は以上のような背景に鑑みてなされたものであって、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方法及びシステムを提供することを目的とする。

本発明の請求項１にかかる発明は、排ガスの処理方法であって、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第１の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前記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第１のプロセスと、前記排ガスを二酸化炭素を固化させる第２の温度に冷却することにより前記排ガスに含まれる二酸化炭素を固化させて前記排ガスから分離する第２のプロセスとを含むこととする。

ここで上記第１の温度は、二酸化炭素を液化もしくは固化させないが、水分、二酸化窒素については液化または固化させる温度である。また、上記第２の温度は、二酸化炭素が固化させる温度である。

本発明では、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、排ガスに含まれる窒素酸化物を液化または固化させて排ガスから分離し（第１のプロセス）、その後、さらに排ガスを二酸化炭素を固化させる第２の温度に冷却して排ガス中の二酸化炭素を固化させて排ガスから分離する（第２のプロセス）ようにしている。ここで第１のプロセスでは、排ガスに含まれる二酸化炭素については分離されずに排ガス中に残留することになるため、続く第２のプロセス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、窒素酸化物を有害ガス成分として含む排ガスについて、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。

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方法であって、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及び硫黄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のプロセスと、前記排ガスを二酸化炭素を固化させる第２の温度に冷却することにより前記排ガスに含まれる二酸化炭素を固化させて前記排ガスから分離する第２のプロセスと、を含むこととする。

ここで上記第１の温度は、二酸化炭素を液化または固化させないが、水分、窒素酸化物、及び硫黄酸化物については液化または固化させる温度である。また、上記第２の温度は、二酸化炭素が固化させる温度である。

本発明では、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については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、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排ガスから分離し（第１のプロセス）、その後、さらに排ガスを二酸化炭素を固化させる第２の温度に冷却して排ガス中の二酸化炭素を固化させて排ガスから分離する（第２のプロセス）ようにしている。ここで第１のプロセスでは、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、続く第２のプロセス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、有害ガス成分として窒素酸化物及び硫黄酸化物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。

本発明の請求項３にかかる発明は、請求項２に記載の排ガスの処理方法において、前記第１のプロセス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、前記有害ガス成分と前記冷却媒体とを分離するプロセスを含むこととする。
本発明によれば、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。

本発明の請求項４にかかる発明は、請求項３に記載の排ガスの処理方法において、前記有害ガス成分から分離される前記冷却媒体を、前記排ガスを流通させる前記冷却媒体として循環させるプロセスを含むこととする。
このように冷却媒体を循環させて用いることで、冷却媒体が有効に利用されることとなる。

本発明の請求項５にかかる発明は、請求項２〜４のいずれかに記載の排ガスの処理方法において、前記第１のプロセス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プロセスを含むこととする。
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。

本発明の請求項６にかかる発明は、請求項２〜５のいずれかに記載の排ガスの処理方法において、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。

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、上記冷却媒体には、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、上記冷却媒体には、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、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、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が要求される。本発明におけ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。

本発明の請求項７にかかる発明は、請求項２〜６のいずれかに記載の排ガスの処理方法において、前記第１のプロセスは、前記排ガスに含まれる水分を前記排ガスから分離するプロセスを含むこととする。
第１のプロセスにおいて排ガスに含まれる水分が分離されることで、第２の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。

本発明の請求項８にかかる発明は、請求項２〜７のいずれかに記載の排ガスの処理方法において、前記第２のプロセスは、固化させた二酸化炭素（ドライアイス）をさらに液化させるプロセスを含むこととする。
このように二酸化炭素（ドライアイス）を液化することで、二酸化炭素の貯留性や運搬性が向上し、二酸化炭素の取扱い性を向上させることができる。

本発明の請求項９にかかる発明は、請求項２〜８のいずれかに記載の排ガスの処理方法において、前記第１のプロセスの前に、前記排ガスを室温程度に冷却した後に水と熱交換させることにより前記排ガスに含まれる水分、有害ガス成分および煤塵を除去する前プロセスを行うこととする。
このような前プロセスを行うことで、排ガスから水分、有害ガス成分および煤塵を確実に除去することが可能となる。

本発明の請求項１０にかかる発明は、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第１の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、前記排ガスを二酸化炭素を固化させる第２の温度に冷却することにより前記排ガスに含まれる二酸化炭素を固化させて前記排ガスから分離するプロセスを行う第２の装置と、を含むこととする。

本発明の請求項１１にかかる発明は、請求項１０に記載の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て、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第１の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プロセスを行う第１の装置と、前記排ガスを二酸化炭素を固化させる第２の温度に冷却することにより前記排ガスに含まれる二酸化炭素を固化させて前記排ガスから分離するプロセスを行う第２の装置と、を含むこととする。

本発明の請求項１２にかかる発明は、請求項１１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。

本発明の請求項１３にかかる発明は、請求項１１に記載の排ガスの処理システムにおいて、前記有害ガス成分から分離される前記冷却媒体を、前記排ガスを流通させる前記冷却媒体として循環させる装置を含むこととする。

本発明の請求項１４にかかる発明は、請求項１１〜１３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。

本発明の請求項１５にかかる発明は、請求項１１〜１４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。

本発明の請求項１６にかかる発明は、請求項１１〜１５のいずれかに記載の排ガスの処理システムにおいて、前記第１の装置は、前記排ガスに含まれる水分を前記排ガスから分離する装置を含むこととする。

本発明の請求項１７にかかる発明は、請求項１１〜１６のいずれかに記載の排ガスの処理システムにおいて、前記第２の装置は、固化させた二酸化炭素（ドライアイス）をさらに液化させる装置を含むこととする。

本発明の請求項１８にかかる発明は、請求項１１〜１７のいずれかに記載の排ガスの処理システムにおいて、前記第１の装置により行われるプロセスの前に、前記排ガスを室温程度に冷却した後に水と熱交換させることにより前記排ガスに含まれる水分、有害ガス成分および煤塵を除去する前プロセスを行う装置を含むこととする。

本発明によれば、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から、有害ガス成分を効率よく除去し、かつ、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可能となる。

以下に、本発明にかかる排ガスの処理システム（以下、排ガス処理システムと称する）の好適な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。

＝＝＝概略説明＝＝＝
図１に本発明の第１実施形態にかかる排ガス処理システムの概略的な構成を示している。本実施形態の排ガス処理システムは、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除去するとともに、排ガスに含まれる二酸化炭素を効率よく回収するための仕組みを提供するものである。

本実施形態の排ガス処理システムにおいては、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のプロセスとして上記のように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。次に第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、ドライアイスサブリメータ２４において前記第１の温度よりもさらに低い第２の温度に冷却することにより、前記排ガスに含まれる二酸化炭素を固化させて前記排ガスから分離する。

ここで上記第１のプロセスにおいて分離された上記有害ガス成分には、分離された上記有害ガス成分と、上記冷却媒体が混在しているが、排ガスの処理システムを効率よく運用するためには上記冷却媒体は循環させて有効に利用することが好ましい。そこで本実施形態では、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から冷却媒体を分離して回収し、回収した冷却媒体を再び冷却媒体として用いるようにしている。なお、蒸発法では、加熱のための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、前記エネルギーを低減させることができる。

排ガスに含まれている二酸化炭素を上記第２のプロセスにおいて効率よく回収するには、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、所定の温度以下で固化して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の出口におけるガス温度は上記所定温度よりも高温とする。

上記第１のプロセスにおいて、上記冷却媒体には、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、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、上記冷却媒体には、有害ガス成分を吸収しやすい性質であることが要求される。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るために、上記冷却媒体には、二酸化炭素が溶けにくい性質であることが要求される。

これらの要求を満たす具体的な冷却媒体としては、ジメチルエーテル（以下、ＤＭＥと称する）があげられる。なお、ＤＭＥ以外の物質についても、上述した上記冷却媒体としての上記の各要求を満たしていれば、上記冷却媒体として用いることができる。例えば、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等、上記の各要求を満たす物質であれば、上記冷却媒体として用いることができる。具体的にはメタノール、エタノール、トルエン、エチルベンゼン等を上記冷却媒体として用いることができる。上記冷却媒体から、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、冷却媒体となる物質と有害ガス成分との沸点の差が大きい方が有利である。このような観点からは、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。

図２Ａに二酸化炭素濃度が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の測定結果を示している。同図に示すように、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。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となると、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、模擬ガスのＤＭＥへの流通開始後、１時間ほどで模擬ガス中の有害ガス成分は全て１ｐｐｍ以下となることが確認できた。

＝＝＝詳細説明＝＝＝
次に本実施形態の排ガスの処理システムの具体的な仕組みについて詳述する。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、これら海水や冷媒によって室温程度に冷却される。

熱交換器１１において、室温程度に冷却された排ガスは、次に凝縮器（コンデンサ）１３へと導かれる。凝縮器１３に導かれた排ガスは、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、一旦、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へと導かれる。凝縮器１３を通過した後の排ガスは排ガスファン１６によって次に脱水塔１７へと導かれる。なお、凝縮器１３において工業用水と熱交換されることにより、排ガスは室温程度から例えば５℃に冷却される。

脱水塔１７では、排ガスについて更に脱水（除湿）及び有害ガス成分の除去が行われる。なお、排ガスに含まれる水分が脱水されることで、後に行われる排ガスに含まれる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。

脱水塔１７では、排ガスが脱水塔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、排ガスを冷却するための冷却媒体として脱水塔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。脱水塔１７に導入された排ガスは、ＤＭＥと熱交換されることにより冷却される。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。

ここで脱水塔１７における、有害ガス成分の排ガスからの除去機能を確認すべく、二酸化硫黄（ＳＯ_２）、一酸化窒素（ＮＯ）についての冷却媒体への溶解量を測定した。図２Ｂにこの測定に用いた装置の構成を示している。同図に示すように、この装置２１０は、模擬排ガスを生成する混合器２１１、脱水塔１７に見立てた模擬排ガスを冷却するための冷却容器２１２（例えば、試験管やビーカ）、模擬排ガスを冷却容器２１２に導入するガス導入管２１３、冷却容器２１２の上方に溜まったガスを冷却容器２１２の外に排出するためのガス排出管２１４を、同図に示すが如く接続したものである。

冷却容器２１２には、冷却媒体として、トルエン（０〜５℃、液量１００ｃｃ）が入っている。ガス導入管の開口部は、トルエンの液面よりも下に位置するようにセットされている。また、模擬排ガスとしては、二酸化炭素（ＣＯ_２）、二酸化硫黄（ＳＯ_２）、一酸化窒素（ＮＯ）、窒素（Ｎ_２）を混合器によって混合したものを用いた。図２Ｃに模擬排ガスの組成を示す。測定は、模擬排ガスを一定速度（１ｌ／ｈ）で冷却媒体に流通させることにより行った。

図２Ｄに測定結果を示す。同図では測定結果を冷却媒体（トルエン）の温度と、二酸化硫黄（ＳＯ_２）、一酸化窒素（ＮＯ）の溶解量（ｐｐｍ）との関係をグラフで示している。グラフに記載されている２つの曲線は、夫々、二酸化硫黄（ＳＯ_２）の溶解量（ｐｐｍ）、及び、一酸化窒素（ＮＯ）の溶解量（ｐｐｍ）を、ＳＲＫ（Soave-Redlich-Kwong）法による計算により求めた理論値である。また、同グラフに「○」印でプロットした部分は上記測定により取得された実測値であり、二酸化硫黄（ＳＯ_２）についての溶解量の実測値は４８（ｐｐｍ）、一酸化窒素（ＮＯ）についての溶解量の実測値は０．１（ｐｐｍ）である。ここでこれらプロット部分の温度に対応する二酸化硫黄（ＳＯ_２）の溶解量の理論値は３６（ｐｐｍ）、一酸化窒素（ＮＯ）の溶解量の実測値は０．０７（ｐｐｍ）であり、いずれの実測値についても理論値とほぼ一致していることがわかる。

以上の測定によって、冷却媒体の温度に応じた二酸化硫黄（ＳＯ_２）及び一酸化窒素（ＮＯ）の溶解量を理論的に求めることができることが確認できた。また脱水塔１７において、排ガスから有害ガス成分を効率よく分離できることを検証することができた。

脱水塔１７内のＤＭＥは、ＤＭＥ冷却塔１８において冷却されて循環的に供給されている。ここでＤＭＥ冷却塔１８には、冷凍機４０において冷却された冷媒（液体窒素）が、循環ポンプ１９によって循環されている。ＤＭＥは、前記冷媒と熱交換されることにより冷却される。

脱水塔１７において排ガスが流通されることにより、液化または固化した水分及び有害ガス成分を含むこととなったＤＭＥは、再利用のためにＤＭＥ分離塔２０へと導かれる。ＤＭＥ分離塔２０に導かれたＤＭＥは、海水と間接的に熱交換されることによりに昇温される（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るが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の成分と分離されることになる。ＤＭＥ分離塔２０の上方に浮上してくるＤＭＥは、次にＤＭＥ分離塔２０の上方から回収されてＤＭＥ冷却塔１８に導かれた後、脱水塔１７に導かれる。このようにしてＤＭＥは循環されて有効に利用されることとなる。また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。

脱水塔１７から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は、輸送ポンプ２１によって成分分離塔２２に導かれる。成分分離塔２２に導かれた水分及び有害ガス成分は、成分分離塔２２内で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、二酸化硫黄は気体である。そし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て熱交換器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とになる。このように、二酸化硫黄が冷媒として利用されることで、冷却のために必要となる系全体としてのエネルギー消費量が抑えられ、効率的な処理が実現されることとなる。

なお、冷媒として利用された後の排ガスは熱交換されることにより昇温され（例えば４５℃）、煙突５１に導かれて系外に排出される。一方、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については排水処理装置５０へと導かれる。

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。リバーシブル熱交換器２３に導かれた排ガスは、このリバーシブル熱交換器２３において、後述するサイクロン２５から導かれる、排ガスとの間での熱交換により冷却された後、ドライアイスサブリメータ２４に導かれる。ドライアイスサブリメータ２４に導かれた排ガスは、ドライアイスサブリメータ２４内に冷凍機４０を通って循環されている冷媒（液体窒素）と間接的に熱交換されて冷却される。

ここでドライアイスサブリメータ２４における二酸化炭素（ＣＯ_２）の回収率を確認すべく、模擬ガスの温度に対する二酸化炭素（ＣＯ_２）の回収率を測定した。この測定において用いたドライアイスサブリメータ２４の構成を図２Ｅ及び図２Ｆに示している。なお、図２Ｅはドライアイスサブリメータ２４の側面図であり、一方、図２Ｆは、図２Ｅにおける矢印Ａで示す方向から見たドライアイスサブリメータ２４の側面図である。これらの図に示すように、ドライアイスサブリメータ２４は、鉛直に配置される２つの第１の円筒管２４１（材質は、例えばＳＵＳ３０４）と、これら第１の円筒管２４１の下方に水平に（すなわち、第１の円筒管２４１に対して垂直に）配置され、第１の円筒管２４１の夫々の内部と連通する、第２の円筒管２４２とを含んで構成されている。第１の円筒管２４１の内部には、その内部に冷媒（例えば液体窒素）が流通される冷媒流通管２４４（材質：銅、長さ９００ｍｍ、２０本、外側面の表面積７．１ｍ^２）が挿入されている。冷媒流通管２４４の外側面には、二酸化炭素（ＣＯ_２）との接触面積を稼ぐべく、図示しないスクリュー状のフインが形成されている。第１の円筒管２４１及び第２の円筒管２４２の端部は、いずれも封止栓２４６によって封止されている。

模擬ガスとしては、二酸化炭素（ＣＯ_２）１５％、窒素（Ｎ_２）８５％からなるものを用いた。測定は、模擬ガスを一方の第１の円筒管２４１の所定位置に設けられた導入口２４８から６７０（ｌ／分）の流通速度で導入し、他の第１の円筒管２４１の所定位置に設けられた排出口２４９から排出することにより流通させて行った。ドライアイスサブリメータ２４の内部空間２４７に導入された模擬ガスは、冷媒流通管２４４の外側面に接触することにより、二酸化炭素（ＣＯ_２）は固化するが、窒素（Ｎ_２）は固化しない温度まで冷却される。これにより模擬ガス中の二酸化炭素はドライアイスとなって第２の円筒管２４２内に堆積する。また模擬ガス中の窒素成分は排出口２４９から排出される。

図２Ｇに測定結果を示す。同図では、二酸化炭素（ＣＯ_２）濃度が１５％の模擬ガスを用いた場合における排出口２４９から排出される模擬ガスの温度と、二酸化炭素（ＣＯ_２）の回収率との関係をグラフで示している。この測定結果に示すように、ドライアイスサブリメータ２４によって二酸化炭素（ＣＯ_２）を効率よく回収できることが確認できた。

ドライアイスサブリメータ２４で生成されたドライアイスは、次にサイクロン２５へと導かれる。サイクロン２５では、ドライアイスと排ガスとが分離される。このうちの排ガスは、上述したようにリバーシブル熱交換器２３に導かれて冷媒として利用される。このように、ドライアイスサブリメータ２４で冷却された排ガスがリバーシブル熱交換器２３において冷媒として利用されることで、冷却のために必要となる系全体としてのエネルギー消費量が抑えられ、効率的な処理が実現されることとなる。なお、リバーシブル熱交換器２３において冷媒として利用された排ガスは、熱交換器１１へと導かれる。そして、排ガスは熱交換器１１において再び冷媒として利用され、その後は煙突５１から系外に排出される。なお、大気への排ガスの放出については、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、大気放出される排ガス中の二酸化炭素の濃度は非常に低いものとなる。

サイクロン２５にて分離されたドライアイスは、次にドライアイス溶融機２６へと導かれる。ドライアイス溶融機２６に導かれたドライアイスは、ここで加圧されて液化される。ここでドライアイスが液化されることで、二酸化炭素の貯留性や運搬性が向上し、かつ、取り扱いやすくなる。なお、大量に生成されるドライアイスを効率よく液化すべく、ドライアイス溶融機２６には、例えば、特開２０００−３１７３０２号公報等に開示されるスクリュー型押出機構によるもの等が用いられる。液化された二酸化炭素は液化炭酸貯槽２７に貯留され、液化炭酸として様々な目的に利用される。

なお、図１に示したドライアイスサブリメータ２４、サイクロン２５、及びドライアイス溶融機２６からなる構成については、図２Ｅに示した構成からなるドライアイスサブリメータ２４の構成を採用することもできる。またこの場合において、第１の円筒管２４１は必ずしも２つに限られず、３つ以上とすることができる。

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の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。

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。

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（ＮＯ_Ｘ）、一酸化硫黄等の他の硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）、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。すなわち、これら以外の種類の有害ガスを含む排ガスを冷却媒体に流通させて第１の温度に冷却することにより、排ガスに含まれる有害ガスを液化または固化させて排ガスから分離し、排ガスを前記第１の温度よりも低い第２の温度に冷却することにより、前記排ガスに含まれる二酸化炭素を固化させて前記排ガスから分離する構成からなる排ガスの処理システムを実現することができる。

以上本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態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。

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。 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二酸化硫黄の濃度変化の測定結果を示す図である。 本発明の一実施形態による二酸化硫黄、一酸化窒素についての冷却媒体への溶解量の測定に用いた装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態による模擬排ガスの組成を示す図である。 本発明の一実施形態による二酸化硫黄、一酸化窒素についての冷却媒体への溶解量の測定結果を示す図である。 本発明の一実施形態による模擬ガスの温度に対する二酸化炭素の回収率の測定に用いたドライアイスサブリメータ２４の構成を示す図である。 本発明の一実施形態による図２Ｅにおける矢印Ａで示す方向から見たドライアイスサブリメータ２４の側面図である。 本発明の一実施形態による模擬ガスの温度に対する二酸化炭素の回収率の測定結果を示す図である。

符号の説明

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
２４ ドライアイスサブリメータ
２５ サイクロン
２６ ドライアイス溶融機
２７ 液化炭酸貯槽
４０ 冷凍機
５０ 排水処理装置
５１ 煙突

Claims (18)

1. 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第１の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前記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第１のプロセスと、
   前記排ガスを二酸化炭素を固化させる第２の温度に冷却することにより前記排ガスに含まれる二酸化炭素を固化させて前記排ガスから分離する第２のプロセスと、
   を含むこと
   を特徴とする排ガスの処理方法。
2. 請求項１に記載の排ガスの処理方法であって、
   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及び硫黄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のプロセスと、
   前記排ガスを二酸化炭素を固化させる第２の温度に冷却することにより前記排ガスに含まれる二酸化炭素を固化させて前記排ガスから分離する第２のプロセスと、
   を含むこと、
   を特徴とする排ガスの処理方法。
3. 請求項２に記載の排ガスの処理方法において、
   前記第１のプロセス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有害ガス成分と前記冷却媒体とを分離するプロセスを含むこと、
   を特徴とする排ガスの処理方法。
4. 請求項３に記載の排ガスの処理方法において、
   前記有害ガス成分から分離される前記冷却媒体を、前記排ガスを流通させる前記冷却媒体として循環させるプロセスを含むこと、
   を特徴とする排ガスの処理方法。
5. 請求項２〜４のいずれかに記載の排ガスの処理方法において、
   前記第１のプロセス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プロセスを含むこと、
   を特徴とする排ガスの処理方法。
6. 請求項２〜５のいずれかに記載の排ガスの処理方法において、
   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方法。
7. 請求項２〜６のいずれかに記載の排ガスの処理方法において、
   前記第１のプロセスは、前記排ガスに含まれる水分を前記排ガスから分離するプロセスを含むこと、
   を特徴とする排ガスの処理方法。
8. 請求項２〜７のいずれかに記載の排ガスの処理方法において、
   前記第２のプロセスは、固化させた二酸化炭素（ドライアイス）をさらに液化させるプロセスを含むこと、
   を特徴とする排ガスの処理方法。
9. 請求項２〜８のいずれかに記載の排ガスの処理方法において、
   前記第１のプロセスの前に、前記排ガスを室温程度に冷却した後に水と熱交換させることにより前記排ガスに含まれる水分、有害ガス成分および煤塵を除去する前プロセスを行うこと、
   を特徴とする排ガスの処理方法。
10. 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第１の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、
    前記排ガスを二酸化炭素を固化させる第２の温度に冷却することにより前記排ガスに含まれる二酸化炭素を固化させて前記排ガスから分離するプロセスを行う第２の装置と、
    を含むことを特徴とする排ガスの処理システム。
11. 請求項１０に記載の排ガスの処理システムにおいて、
    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及び硫黄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プロセスを行う第１の装置と、
    前記排ガスを二酸化炭素を固化させる第２の温度に冷却することにより前記排ガスに含まれる二酸化炭素を固化させて前記排ガスから分離するプロセスを行う第２の装置と、
    を含むことを特徴とする排ガスの処理システム。
12. 請求項１１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。
13. 請求項１１に記載の排ガスの処理システムにおいて、
    前記有害ガス成分から分離される前記冷却媒体を、前記排ガスを流通させる前記冷却媒体として循環させる装置を含むこと、
    を特徴とする排ガスの処理システム。
14. 請求項１１〜１３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。
15. 請求項１１〜１４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、
    特徴とする排ガスの処理システム。
16. 請求項１１〜１５のいずれかに記載の排ガスの処理システムにおいて、
    前記第１の装置は、前記排ガスに含まれる水分を前記排ガスから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。
17. 請求項１１〜１６のいずれかに記載の排ガスの処理システムにおいて、
    前記第２の装置は、固化させた二酸化炭素（ドライアイス）をさらに液化させる装置を含むこと、
    を特徴とする排ガスの処理システム。
18. 請求項１１〜１７のいずれかに記載の排ガスの処理システムにおいて、
    前記第１の装置により行われるプロセスの前に、前記排ガスを室温程度に冷却した後に水と熱交換させることにより前記排ガスに含まれる水分、有害ガス成分および煤塵を除去する前プロセスを行う装置を含むこと、
    を特徴とする排ガスの処理システム。
    
    

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