JP2009240895A - 二酸化炭素回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管における金属疲労の発生や振動騒音の発生を回避しつつ、ドライアイスの付着・堆積を効果的に抑制し、排ガスからの二酸化炭素の回収効率を向上することができる二酸化炭素回収装置を提供すること。
【解決手段】二酸化炭素を含む排ガスを冷却することにより当該二酸化炭素を固化させてドライアイスとし、当該ドライアイスを回収するサブリメータ４０であり、二酸化炭素の固化温度以下の冷媒を流す伝熱管４６を内部に有し、排ガスと冷媒とを間接熱交換させる容器４１を備え、伝熱管４６に超音波振動を付与する超音波振動装置５０を更に備えた。そして、ドライアイスが伝熱管４６の外表面に付着する前に超音波振動装置５０を作動させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素回収装置に関し、更に詳しくは、ドライアイスが伝熱管の外表面に付着する前に超音波振動装置を作動させることにより、伝熱管における金属疲労の発生や振動騒音の発生を回避しつつ、ドライアイスの付着・堆積を効果的に抑制し、排ガスからの二酸化炭素の回収効率を向上することができる二酸化炭素回収装置に関する。

近年、大気中の炭酸ガス量の増加と、いわゆる温室効果による大気温度上昇との関係が問題視されており、例えば石炭焚きボイラを有する火力発電所からの燃焼排ガス（以下、排ガスという）が発生源の一つとして指摘されている。

この対策として、二酸化炭素を含む排ガスを冷却することにより当該二酸化炭素を固化させてドライアイスとし、当該ドライアイスを回収することにより排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置（サブリメータ）が公知である（例えば、特許文献１参照）。

この従来の二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素の固化温度以下の冷媒（例えば、液体窒素）を流す伝熱管（例えば、フィンチューブ）を内部に有し、排ガスと冷媒とを間接熱交換させる容器を備えて構成されている。

しかしながら、伝熱管の外表面にドライアイスが次第に堆積し、有効伝熱面積が減少することにより、排ガスと冷媒との間接熱交換の効率が低下し、二酸化炭素の回収効率が低下してしまうという課題があった。

そこで、上記ドライアイスの堆積量を低減すべく、ドライアイスが付着した伝熱管に対して、例えば振動モータ等からなる槌打装置により槌打して振動（衝撃）を付与することにより、伝熱管に付着したドライアイスを分離する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−２７９６４０号公報 特開２００７−６９０５７号公報

しかしながら、上記特許文献２に係る従来の二酸化炭素回収装置にあっては、ドライアイスの付着（堆積）が進行した後では、槌打装置により伝熱管に振動を付与しても、付着したドライアイスを必ずしも分離できない虞があった。

また、ドライアイスを確実に分離するために、上記槌打装置による槌打力（衝撃力）を高めることもできるが、伝熱管が金属疲労を起こす虞があるとともに、振動騒音が発生してしまうという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、伝熱管における金属疲労の発生や振動騒音の発生を回避しつつ、ドライアイスの付着・堆積を効果的に抑制し、排ガスからの二酸化炭素の回収効率を向上することができる二酸化炭素回収装置を提供することを目的とする。

（１）本発明は、二酸化炭素を含む排ガスを冷却することにより当該二酸化炭素を固化させてドライアイスとし、当該ドライアイスを回収することにより前記排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置であり、前記二酸化炭素の固化温度以下の冷媒を流す伝熱管を内部に有し、前記排ガスと前記冷媒とを間接熱交換させる容器を備えた二酸化炭素回収装置において、前記伝熱管に超音波振動を付与する超音波振動装置を更に備え、前記ドライアイスが前記伝熱管の外表面に付着する前に前記超音波振動装置を作動させることを特徴とする。

（２） （１）の発明においては、前記超音波振動装置は、前記伝熱管を前記容器に固定する伝熱管固定部または当該伝熱管固定部の近傍の前記伝熱管に設けられることが好ましい。

（３） （１）または（２）に記載の発明においては、前記超音波振動装置を間欠的に作動させることが好ましい。

（４） （３）に記載の発明においては、前記超音波振動装置は、前記伝熱管の上流部から下流部にかけて複数配設され、前記上流部に配設された前記超音波振動装置の作動時間は、前記下流部に配設された前記超音波振動装置の作動時間よりも長く設定されることが好ましい。

（５） （１）〜（４）のいずれか一つに記載の発明においては、前記超音波振動装置は、断熱容器に収納されていることが好ましい。

（６） （１）〜（５）のいずれか一つに記載の発明においては、前記伝熱管は、複数の曲がり部を有して前記容器内に配設され、前記超音波振動装置は、前記伝熱管の曲がり部またはその近傍に配設されていることが好ましい。

（７） （１）〜（６）のいずれか一つに記載の発明においては、前記容器における前記排ガスの流量を検知する排ガス流量検知手段を備え、当該排ガス流量検知手段により検知された排ガス流量に応じて前記超音波振動装置の作動時間を可変とすることが好ましい。

本発明に係る二酸化炭素回収装置によれば、ドライアイスが伝熱管の外表面に付着する前に超音波振動装置を作動させることにより、伝熱管における金属疲労の発生や振動騒音の発生を回避しつつ、ドライアイスの付着・堆積を効果的に抑制し、排ガスからの二酸化炭素の回収効率を向上することができる。
すなわち、本発明は、具体的には次のような効果を奏する。
容器内に排ガスを導入し、冷媒が流通している伝熱管に当該排ガスが接触すると、当該排ガス中の二酸化炭素が冷却されて固化しドライアイスになるが、そのドライアイスが伝熱管の外表面に付着する前に当該伝熱管に超音波振動を付与するので、ドライアイスが伝熱管の外表面に付着するのを抑制することができ、ドライアイスの回収効率を向上することができる。
また、仮に、超音波振動の付与中にドライアイスが伝熱管の外表面に付着したとしても、当該付着し始めのドライアイスを超音波振動により落下させることができるので、再付着の繰り返しによる付着量の増加を抑制することができ、二酸化炭素の回収効率を上げることができる。
また、伝熱管を従来のような槌打装置により槌打していないので、伝熱管に強い衝撃を付与することなく、超音波振動（微小振動）を付与することができるため、伝熱管が金属疲労を起こすのを効果的に抑制することができるとともに、振動騒音の発生をも抑制することができる。

以下に、本発明の実施形態に係る二酸化炭素回収装置（以下、サブリメータという）を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

＜排ガス処理システム全体の説明＞
先ず、本発明に係るサブリメータ４０が適用される排ガス処理システムの全体構成について図２に基づいて説明する。ここで、図２は、排ガス処理システムを示す概略図であり、石炭焚きのボイラ１０に係る排ガス処理システムを簡略化して例示したものである。

図２に示すように、石炭焚きボイラ１０で発生した高温の排ガスは、コンデンサ２０に導かれる。このコンデンサ２０において排ガスは、循環水（例えば、海水、工業用水、水道水等）により室温程度まで冷却される。排ガス中の水蒸気の一部分は、凝縮し、分離される。

コンデンサ２０で冷却された排ガスは、更にドライヤ３０に導かれて除湿される。ドライヤ３０には、例えばシリコンやトルエン等の低温の冷媒が入っており、排ガスは冷却（例えば、約−５０℃以下）される。なお、排ガス中の水分は氷として分離され、捕集される。

そして、除湿された排ガスは、サブリメータ４０に導かれる。このサブリメータ４０では、後述するように、排ガス中の二酸化炭素が固化する温度まで冷却され、その固化した二酸化炭素がドライアイスとして回収される。
これにより、排ガスから二酸化炭素が除去される。回収されたドライアイスは、液化または気化され、タンク８０に貯留される。貯留された二酸化炭素は、適宜、系外に運搬等される。
なお、サブリメータ４０およびドライヤ３０に流通させる冷媒は、例えば液体窒素であり、冷凍機７０から供給される。

サブリメータ４０を経た排ガスは、再びコンデンサ２０に導かれ、コンデンサ２０内の循環水を冷却した後、二酸化炭素をほぼ除去された状態で煙突９０から大気放出される。

＜サブリメータ４０の説明＞
次に、サブリメータ４０について図１に基づいて更に詳しく説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係るサブリメータ４０の内部を示す概略断面図である。

図１に示すように、サブリメータ４０は、二酸化炭素を含む排ガスを冷却することにより当該二酸化炭素を固化させてドライアイスとし、容器４１の底部４４に落下し、堆積したドライアイス６０を回収することにより排ガスから二酸化炭素を回収する装置である。
このサブリメータ４０は、二酸化炭素の固化温度以下の冷媒（例えば、液体窒素）を流す丸パイプ状の伝熱管４６を内部に蛇行させて有し、排ガスと冷媒とを間接熱交換させる容器４１を備えている。

この容器４１は、圧力容器として構成され、排ガスを内部に導入する排ガス入口部４２と、排ガスを外部に排出する排ガス出口部４３とを備えている。
天板部（伝熱管固定部）４１ａには、伝熱管４６を縦型の吊り下げ構造として設けてある。このため、落下したドライアイスが他の伝熱管４６に再付着しにくい構成となっている。また、天板部４１ａに固定された伝熱管４６の両端部のうち、冷媒が導入される方を冷媒入口部４６ａとして構成し、冷媒が排出される方を冷媒出口部４６ｂとして構成してある。

＜超音波振動装置５０の説明＞
伝熱管４６のうち、天板部４１ａの近傍には、当該伝熱管４６に超音波振動を付与する超音波振動装置５０，５０が設けられている。すなわち、超音波振動装置５０は、冷媒入口部４６ａの近傍と、冷媒出口部４６ｂの近傍とにそれぞれ設けられている。
この超音波振動装置５０は、例えば、圧電セラミックにより超音波振動を発生させる公知のものを用いることができるが、これに限定されず、その他の構成のものであってもよい。また、この超音波振動装置５０は、断熱容器に収納されている。

このように構成された超音波振動装置５０は、ドライアイスが伝熱管４６の外表面に付着する前に同一時間作動させるようにする。具体的には、排ガスを容器４１内に流通させる前に超音波振動装置５０を作動させ、排ガスが容器４１内を流通している間は、常時、作動させておくことが好ましい。また、伝熱管４６内の冷媒も、排ガスを容器４１内に流通させる前に流通させ、容器４１内を十分に冷却しておくことが好ましい。

これにより、次のような効果を奏する。
すなわち、排ガスが容器４１内に導入されると、伝熱管４６による冷却作用により排ガス中の二酸化炭素が冷却されて固化し、ドライアイス６０となって底部４４に堆積する。この時、伝熱管４６の外表面が最も低温であるから、ドライアイスが付着し易い状況にある。
しかしながら、本発明では、予め２つの超音波振動装置５０を作動させて伝熱管４６を振動させているので、伝熱管４６の外表面に付着しようとするドライアイスは、当該外表面でパウダー状となり、付着しにくい。
よって、ドライアイスは、伝熱管４６にほとんど付着せず、そのまま底部４４に落下し、堆積したドライアイス６０となる。
このようにして、ドライアイスが伝熱管４６の外表面に付着するのを抑制することができる。
なお、容器４１の底部４４に堆積したドライアイス６０は、図示しない回収手段によって回収され、容器４１の外部に搬出された後、液化または気化され、上記タンク８０に貯留される。

また、仮に、超音波振動の付与中にドライアイス６０が伝熱管４６の外表面に付着したとしても、当該付着し始めのドライアイス６０を超音波振動により落下させることができるので、再付着の繰り返しによる付着量の増加を抑制することができ、二酸化炭素の回収効率を上げることができる。

また、伝熱管４６を従来のような槌打装置により槌打していないので、伝熱管４６に強い衝撃を付与することなく超音波振動（微小振動）を付与することができるため、伝熱管４６が金属疲労を起こすのを効果的に抑制することができるとともに、振動騒音の発生をも抑制することができる。

また、超音波振動装置５０は、天板部４１ａの近傍の伝熱管４６に設けられているので、次のような効果を奏することができる。すなわち、天板部４１ａの近傍の伝熱管４６は、当該天板部４１ａによって支持されているので、天板部４１ａの近傍でない伝熱管４６に比べて、強度的に余裕がある。
従って、当該伝熱管４６部分に超音波振動装置５０の重量を容易に支持させることができ、強度補強のための別の新たな部材を配設する必要がなく、部材点数の増加を抑制することができる。

なお、超音波振動装置５０を、天板部４１ａに設け、あるいは伝熱管４６を容器４１に固定する板状の伝熱管固定部（図示せず）に設けて、伝熱管４６を振動させるように構成することもできる。この場合、丸パイプ状の伝熱管４６に超音波振動装置５０を直接固定する場合よりも、上記伝熱管固定部に設ける方が固定し易くなり、設計レイアウトも容易になる。

また、超音波振動装置５０は、断熱容器に収納されているので、次の効果を奏する。すなわち、超音波振動装置５０が配設される伝熱管４６は、冷媒によって二酸化炭素の固化温度以下に冷却され極めて低温状態にあるが、超音波振動装置５０の構成部品である電子部品等が当該断熱容器によって断熱保護されているので、装置の信頼性が向上する。

なお、上記実施形態では、石炭焚きボイラ１０を例にして説明したが、これに限定されず、例えば、製鉄所における高炉、コークス炉、転炉等、二酸化炭素を含む排ガスを処理する種々のシステムにおいて、本発明を適用することができ、上記と同様の効果を期待できる。

また、上記実施形態では、ドライアイスが伝熱管４６の外表面に付着する前に超音波振動装置５０を作動させ、排ガスが容器４１に流通している間は常時作動させるものとして説明したが、これに限定されない。例えば、排ガスの流量が少ない場合には、それに応じて適宜、超音波振動装置５０の作動時間が少なくなるように間欠的に作動させてもよい。
すなわち、排ガス流量が少ない時は、伝熱管４６への付着が予想されるドライアイス量も少ないので、超音波振動装置５０の作動時間を短くすることで、当該超音波振動装置５０を過剰に作動させずに済み、当該作動にかかるエネルギコストを低減することができる。

また、上記実施形態では、超音波振動装置５０を伝熱管４６の上流側と下流側の２箇所に設けるものとして説明したが、予想されるドライアイスの付着量に応じて、１箇所あるいは３箇所以上に設けてもよい。

また、上記実施形態では、２つの超音波振動装置５０を同一時間作動させるものとして説明したが、これに限定されない。例えば、冷媒入口部４６ａ付近（上流部）に配設された超音波振動装置５０の作動時間を、冷媒出口部４６ｂ付近（下流部）に配設された超音波振動装置５０の作動時間よりも長く設定してもよい。
これは、伝熱管４６の上流部ほど冷媒の温度が低く、伝熱管４６の温度も低いので、ドライアイスが付着し易いからである。従って、伝熱管４６の上流部ほど超音波振動を与える頻度を高くすることで、ドライアイスの付着を効率的に抑制することができる。

また、上記実施形態で説明したように、伝熱管４６は、複数の曲がり部を有して容器４１内に配設されている。そこで、図示例を省略するが、超音波振動装置５０を、伝熱管４６の曲がり部またはその近傍に配設してもよい。
これにより、次の効果を奏することができる。すなわち、伝熱管４６の曲がり部は狭隘であるため、ドライアイスが付着し易く堆積し易い。しかしながら、伝熱管４６の曲がり部またはその近傍に超音波振動装置５０を配設することにより、ドライアイスが付着し易い当該曲がり部に対して重点的に超音波振動を付与することができ、ドライアイスの付着を効果的に抑制することができる。

また、上記実施形態の図１に示した排ガス処理システムでは、容器４１における排ガスの流量を検知する排ガス流量検知手段を備えていることが多い。そこで、当該排ガス流量検知手段により検知された排ガス流量に応じて、超音波振動装置５０の作動時間を可変としてもよい。
これにより、次の効果を奏することができる。すなわち、排ガス流量が多い時は、伝熱管４６への付着が予想されるドライアイス量も多いので、超音波振動装置５０の作動時間を長くすることで、ドライアイスの付着を確実に抑制することができる。
一方、排ガス流量が少ない時は、伝熱管４６への付着が予想されるドライアイス量も少ないので、超音波振動装置５０の作動時間を短くすることで、当該超音波振動装置５０を過剰に作動させずに済み、当該作動にかかるエネルギコストを低減することができる。

本発明の実施形態に係るサブリメータを示す概略断面図である。 排ガス処理システムを示す概略図である。

符号の説明

１０ ボイラ
２０ コンデンサ
３０ ドライヤ
４０ サブリメータ（二酸化炭素回収装置）
４１ 容器
４２ 排ガス入口部
４３ 排ガス出口部
４４ 底部
４６ 伝熱管
４６ａ 冷媒入口部
４６ｂ 冷媒出口部
５０ 超音波振動装置
６０ 堆積したドライアイス
７０ 冷凍機
８０ タンク
９０ 煙突

Claims (7)

1. 二酸化炭素を含む排ガスを冷却することにより当該二酸化炭素を固化させてドライアイスとし、当該ドライアイスを回収することにより前記排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置であり、
   前記二酸化炭素の固化温度以下の冷媒を流す伝熱管を内部に有し、前記排ガスと前記冷媒とを間接熱交換させる容器を備えた二酸化炭素回収装置において、
   前記伝熱管に超音波振動を付与する超音波振動装置を更に備え、
   前記ドライアイスが前記伝熱管の外表面に付着する前に前記超音波振動装置を作動させることを特徴とする二酸化炭素回収装置。
2. 前記超音波振動装置は、前記伝熱管を前記容器に固定する伝熱管固定部または当該伝熱管固定部の近傍の前記伝熱管に設けられることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素回収装置。
3. 前記超音波振動装置を間欠的に作動させることを特徴とする請求項１または２に記載の二酸化炭素回収装置。
4. 前記超音波振動装置は、前記伝熱管の上流部から下流部にかけて複数配設され、
   前記上流部に配設された前記超音波振動装置の作動時間は、前記下流部に配設された前記超音波振動装置の作動時間よりも長く設定されることを特徴とする請求項３に記載の二酸化炭素回収装置。
5. 前記超音波振動装置は、断熱容器に収納されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の二酸化炭素回収装置。
6. 前記伝熱管は、複数の曲がり部を有して前記容器内に配設され、
   前記超音波振動装置は、前記伝熱管の曲がり部またはその近傍に配設されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の二酸化炭素回収装置。
7. 前記容器における前記排ガスの流量を検知する排ガス流量検知手段を備え、当該排ガス流量検知手段により検知された排ガス流量に応じて前記超音波振動装置の作動時間を可変とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の二酸化炭素回収装置。

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