JP2009240906A - 水分除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】連続運転が可能で排ガス中の水分を効率的に除去することができるとともに、冷熱の損失を抑制することができる水分除去装置を提供すること。
【解決手段】水分除去装置５０は、ライン２５から導入される排ガスをバブリング方式で除湿用冷媒に入れ、気液熱交換させることにより排ガス中の残留微量水分を氷にするドライヤ３０と、当該氷を含む除湿用冷媒を当該ドライヤ３０からライン５２及びバルブ５３によって抜き出して貯留し、加温せずに比重差によって氷と除湿用冷媒とを分離する分離槽５４と、分離槽５４で分離された除湿用冷媒をドライヤ３０に戻すライン５９及びポンプ５９ａと、分離槽５４で分離された氷を加温することにより水にして排水処理装置へ導くとともに、水に含まれる除湿用冷媒を当該水から界面分離する水処理槽５７と、水処理槽５７で分離された除湿用冷媒をドライヤ３０に戻すライン６２及びポンプ６２ａと、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、水分除去装置に関し、更に詳しくは、連続運転が可能で排ガス中の水分を効率的に除去することができるとともに、冷熱の損失を抑制することができる水分除去装置に関する。

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。
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。

また、排ガス中には残留水分が微量に存在するため、上記二酸化炭素回収装置によって二酸化炭素を効率良く回収するために、二酸化炭素の回収前に排ガスから水分を除去する必要がある。

このため、従来の水分除去装置（脱水塔、あるいは、いわゆるバブリング方式のドライヤと称されることもある）では、除湿用の冷媒（例えば、シリコンオイル等）中に排ガスを供給することにより、排ガス中の水分を冷却・固化し、固化した水分（氷）を当該除湿用の冷媒（以下、除湿用冷媒という）内で捕集する技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
特開２００５−２７９６４０号公報 特開２００５−２７９６４１号公報 特開２００５−２８３０９４号公報

水分除去装置を長時間運転すると、除湿用冷媒の内部に氷が蓄積されるので、伝熱管熱効率に低下する虞があるため、蓄積した氷を効率良く除去する手段の提供が望まれていた。

また、このような氷を水分除去装置から除去する手段として、氷を含む除湿用冷媒を水分除去装置から抜き出し、これを加温することで氷を溶かして水とし、当該除湿用冷媒と分離した上で当該除湿用冷媒を再利用する手段も考えられる。

しかしながら、氷を含む多量の除湿用冷媒を加温すると、加温のために多大なエネルギを必要とする他、当該加温した除湿用冷媒を再度冷却してから水分除去装置に戻さなければならず、冷熱の損失が大きくなっ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、連続運転が可能で排ガス中の水分を効率的に除去することができるとともに、冷熱の損失を抑制することができる水分除去装置を提供することを目的とする。

（１）本発明は、水分を含む排ガスを除湿用冷媒と熱交換して冷却することにより当該水分を固化させて氷とし、当該氷を回収することにより前記排ガスから水分を除去する水分除去装置であって、前記除湿用冷媒を貯留し、前記排ガスを気液熱交換させることにより当該排ガス中の水分を氷にするドライヤと、当該氷を含む前記除湿用冷媒を前記ドライヤから抜き出して貯留し、加温せずに比重差によって当該氷と当該除湿用冷媒とを分離する分離槽と、当該分離槽で分離された前記除湿用冷媒を前記ドライヤに戻す第１のリターン手段と、前記分離槽で分離された前記氷を加温することにより水にし、当該水に含まれる前記除湿用冷媒を当該水から分離する水処理槽と、当該水処理槽で分離された前記除湿用冷媒を前記ドライヤに戻す第２のリターン手段と、を備えたことを特徴とする。

（２） （１）の発明においては、前記水処理槽にて分離された前記除湿用冷媒を前記ドライヤに戻す前に冷却する冷却手段を備えることが好ましい。

（３） （１）または（２）に記載の発明においては、前記ドライヤから前記分離槽へ至るラインと、前記分離槽から前記水処理槽へと至るラインとには、前記氷と前記除湿用冷媒の流れを制御する弁装置を備えることが好ましい。

本発明に係る水分除去装置によれば、連続運転が可能で排ガス中の水分を効率的に除去することができるとともに、冷熱の損失を抑制することができる水分除去装置を提供することができる。

以下に、本発明の実施形態に係る水分除去装置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、本発明に係る水分除去装置５０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。また、図２中では、後述する分離槽５４や水処理槽５７等の図示を省略してある。

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、ライン２５を介して、後述するドライヤ３０に導かれて除湿される。排ガス中には残留水分が微量に存在するため、サブリメータ４０によって二酸化炭素を効率良く回収するために、二酸化炭素の回収前に排ガスから水分を除去する必要があるからである。

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。排ガス中の水分は固化され、後述するように、分離槽５４及び水処理槽５７を経て氷として分離され、ライン５８を経て捕集される（図１及び図２参照）。

そして、除湿された排ガスは、ライン６３を介してサブリメータ４０に導かれる。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を断熱圧力容器の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ものである。

また、このサブリメータ４０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。また、伝熱管４６は、冷媒入口部４６ａから冷媒が導入され、冷媒出口部４６ｂから冷媒が排出されるようになっている。

これにより、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６０として回収されるので、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６０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及びドライヤ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、排ガス出口部４３を介して再びコンデンサ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。

＜水分除去装置５０の説明＞
次に、水分除去装置５０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水分除去装置５０の構成を示す模式説明図である。

図１に示すように、水分除去装置５０は、ライン２５から導入される排ガスをバブリング方式で除湿用冷媒（例えば、シリコンやトルエン等）に入れ、気液熱交換させることにより排ガス中の残留微量水分を氷にするドライヤ３０と、当該氷を含む上記除湿用冷媒を当該ドライヤ３０からライン５２及びバルブ５３によって抜き出して貯留し、加温せずに比重差によって氷と除湿用冷媒とを分離する分離槽５４と、分離槽５４で分離された除湿用冷媒を上記ドライヤ３０に戻すライン（第１のリターン手段）５９及びポンプ（第１のリターン手段）５９ａと、分離槽５４で分離された氷を加温することにより水にして排水処理装置（図示せず）へ導くとともに、当該加温処理された水に含まれる上記除湿用冷媒を当該水から界面分離する水処理槽５７と、水処理槽５７で分離された除湿用冷媒を上記ドライヤ３０に戻すライン（第２のリターン手段）６２及びポンプ（第２のリターン手段）６２ａと、を備えている。

なお、ライン６２中には、水処理槽５７にて加温分離された除湿用冷媒を冷却する手段が設けられていることが好ましい。ドライヤ３０内の除湿用冷媒の温度変化を少なくするためであり、例えば、冷凍機７０によって冷却することができる。

また、バルブ（弁装置）５６及びバルブ（弁装置）５３には、例えばバタフライ弁を用いることが好ましい。これにより、簡易な構成によって、氷６５を重力により水処理槽５７や分離槽５４に容易に落下させ、移送することができる。

＜水分除去装置５０における作用の説明＞
次に、水分除去装置５０における作用について説明する。
バブリング方式のドライヤ３０において排ガスが除湿用冷媒（例えば、−５０℃）の中で気液熱交換すると、排ガス中の残留微量水分が氷６５になって容器３０ａ内に蓄積する。この時、除湿用冷媒はバブリングにより攪拌されている状態である。

次に、ドライヤ３０の運転中にバルブ５３を開弁することにより、ドライヤ３０から除湿用冷媒が氷とともに抜き取られ、低温（例えば、−３０〜−４０℃）の分離槽５４に移送される。すると、除湿用冷媒よりも氷の密度の方が大きいので、分離槽５４の底部に氷６５が堆積することとなる。

ここで、この氷６５を溶かして水にし、除湿用冷媒と分離することも可能であるが、そのようにすると、氷６５の他に除湿用冷媒をも加熱する必要があり、エネルギコスト的に無駄である。この除湿用冷媒は、ドライヤ３０にて再利用するため、当該加熱によって温度上昇したものを再度冷却しなければならなくなるからである。

そこで、分離槽５４では、加温せずに比重差によって氷６５と除湿用冷媒とを固液分離する。比重差によって、氷６５は分離槽５４の底部に堆積し、除湿用冷媒は上澄みとして分離されるからである。

従って、この上澄みとして分離された除湿用冷媒をポンプ５９ａによってライン５９からドライヤ３０に戻すことで、除湿用冷媒の温度をほとんど上げることなくドライヤ３０で再利用することができ、再冷却するためのエネルギコストが少なくて済む。

このように、上澄みとしての除湿用冷媒を分離槽５４から除去した後にも、分離槽５４には、氷６５とともに除湿用冷媒の一部が残留している。そこで、この残留した除湿用冷媒をライン５５のバルブ５６を開弁することにより、例えば５℃程度の温度の水処理槽５７に移送し、当該水処理槽５７にて加温する。なお、この加温は、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上昇させればよい。

このように、水処理槽５７で加温されると、氷６５は水となり、残留した少量の除湿用冷媒は水と界面分離するので、上澄みとして分離した除湿用冷媒をポンプ６２ａによってライン６２，５９を経てドライヤ３０に戻す一方、水は図示しない排水処理装置へ移送され、適宜処理される。

これにより、加温処理すべき対象が少量で済むため、加温するためのエネルギコストが少なくて済む。また、加温によって温度上昇した除湿用冷媒も少量であるので、ドライヤ３０に戻す前に再冷却するためのエネルギコストも少なくて済む。

なお、バルブ５３，５６やポンプ５９ａ，６２ａ等を動作させるタイミングは、ドライヤ３０の運転時間から氷６５の蓄積量を推測し、当該運転時間に基づいて電子制御装置（図示せず）によって自動的に判断し、制御してもよい。また、作業者等が図示しない小窓等からドライヤ３０内の様子を見て手動にて作動させてもよい。

以上のように、本発明によれば、冷熱の損失を少なくすることができ、エネルギ効率の高い水分除去装置５０を提供することができる。
また、この水分除去装置５０によれば、分離した除湿用冷媒を連続的にドライヤ３０で再使用しているので、ドライヤ３０の連続運転が可能である。

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、バルブ５６及びバルブ５３には、バタフライ弁を用いるものとして説明したが、これに限定されず、その他の弁装置を用いてもよい。

また、上記実施形態では、ライン６２中に、水処理槽５７にて加温分離された除湿用冷媒を冷却する手段を設けるものとして説明したが、これと同様に、分離槽５４にて分離された除湿用冷媒を冷却する手段をライン５９中に設けてもよい。

また、除湿用冷媒は、シリコンやトルエン以外の冷媒であってもよく、氷（水分）と界面分離可能なものであれば、上記と同様の効果を期待できる。

本発明の実施形態に係る水分除去装置５０の構成を示す模式説明図である。 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
２５ ライン
３０ ドライヤ
３０ａ 容器
４０ サブリメータ
４２ 排ガス入口部
４３ 排ガス出口部
４６ 伝熱管
４６ａ 冷媒入口部
４６ｂ 冷媒出口部
５０ 水分除去装置
５２ ライン
５３ バルブ（弁装置）
５４ 分離槽
５５ ライン
５６ バルブ（弁装置）
５７ 水処理槽
５８ ライン
５９ ライン（第１のリターン手段）
５９ａ ポンプ（第１のリターン手段）
６２ ライン（第２のリターン手段）
６２ａ ポンプ（第２のリターン手段）
６５ 氷
７０ 冷凍機
８０ タンク
９０ 煙突

Claims (3)

1. 水分を含む排ガスを除湿用冷媒と熱交換して冷却することにより当該水分を固化させて氷とし、当該氷を回収することにより前記排ガスから水分を除去する水分除去装置であって、
   前記除湿用冷媒を貯留し、前記排ガスを気液熱交換させることにより当該排ガス中の水分を氷にするドライヤと、
   当該氷を含む前記除湿用冷媒を前記ドライヤから抜き出して貯留し、加温せずに比重差によって当該氷と当該除湿用冷媒とを分離する分離槽と、
   当該分離槽で分離された前記除湿用冷媒を前記ドライヤに戻す第１のリターン手段と、
   前記分離槽で分離された前記氷を加温することにより水にし、当該水に含まれる前記除湿用冷媒を当該水から分離する水処理槽と、
   当該水処理槽で分離された前記除湿用冷媒を前記ドライヤに戻す第２のリターン手段と、を備えたことを特徴とする水分除去装置。
2. 前記水処理槽にて分離された前記除湿用冷媒を前記ドライヤに戻す前に冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水分除去装置。
3. 前記ドライヤから前記分離槽へ至るラインと、前記分離槽から前記水処理槽へと至るラインとには、前記氷と前記除湿用冷媒の流れを制御する弁装置を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の水分除去装置。

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