JP6123310B2 - 放散システム - Google Patents

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Description

本発明は、原液に溶解した対象物を気化させて、原液から対象物を分離する放散システムに関する。
従来、アンモニア（アンモニア態窒素）が溶解した原液からアンモニアを分離するために、放散塔が利用されている。放散塔では、アンモニアを気化させることで、原液からアンモニアを除去している。放散塔内で気化したアンモニアは、水蒸気とともに、塔頂から外部へ導かれ、アンモニアが除去された原液（排水）は、放散塔の下部から排出されることとなる。このような放散塔では、アンモニアの気化効率を向上させるために、原液に加えて水蒸気を放散塔内に導入して、原液を加熱している。
しかし、水蒸気を導入する構成では、水蒸気を生成するためのエネルギーが大きく、エネルギーに要するコストが上昇してしまっていた。また、水蒸気を加えた分、放散塔から排出される排水の量が増大してしまい、排水を処理するためのコストが上昇してしまうという問題があった。
そこで、塔頂から導かれた、アンモニアおよび水蒸気の混合気（放散ガス）が有する熱で原液を予熱してから原液を放散塔に導入することで、放散塔に導入する水蒸気の量を低減する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
特開２００２−２８６３７号公報
しかし、放散ガスが有する熱を１００％原液に伝えることはできないため、上述した特許文献１の技術で原液を予熱する場合、アンモニアの気化のための最適温度まで原液を加熱することができなかった。したがって、特許文献１の技術であっても、加熱に要するエネルギーを大幅に削減することはできなかった。
本発明は、このような課題に鑑み、原液の加熱に要するエネルギーを大幅に低減し、原液からの対象物の気化効率を向上させることが可能な放散システムを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明の放散システムは、水を加熱して水蒸気を生成するボイラと、ボイラによって生成された水蒸気の潜熱を回収することで、水蒸気を凝縮して１００℃の凝縮水とする第１の熱交換器と、凝縮水の顕熱を回収し、当該回収した熱で、アンモニアを吸収した原液、または、酸性ガスを吸収した原液を加熱する第２の熱交換器と、加熱された原液が導入され、当該原液からアンモニア、または、酸性ガスを気化させる放散塔と、を備えたことを特徴とする。
また、加熱された空気を放散塔に導入する空気導入部をさらに備えるとしてもよい。
また、ボイラの熱源は、ガス化原料を加熱することで生成される合成ガスであるとしてもよい。
また、合成ガスを水で洗浄することで、合成ガス中に含まれるアンモニアを水に吸収させ、アンモニアを吸収した原液を得る洗浄部を備え、第２の熱交換器は、凝縮水の顕熱を回収し、当該回収した熱で、洗浄部で得られた原液を加熱し、放散塔は、加熱された原液が導入され、当該原液からアンモニアを気化させるとしてもよい。
また、合成ガスを吸収液で洗浄することで、合成ガス中に含まれる酸性ガスを吸収液に吸収させ、酸性ガスを吸収した原液を得る吸収部を備え、第２の熱交換器は、凝縮水の顕熱を回収し、当該回収した熱で、吸収部で得られた原液を加熱し、放散塔は、加熱された原液が導入され、当該原液から酸性ガスを気化させるとしてもよい。
本発明では、原液の加熱に要するエネルギーを大幅に低減し、原液からの対象物の気化効率を向上させることが可能となる。
第１の実施形態にかかる合成ガス生成システムを説明するための図である。 放散塔におけるアンモニア含有液の温度とアンモニアの除去率について説明するための図である。 第２の実施形態にかかる合成ガス生成システムを説明するための図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる合成ガス生成システム１００を説明するための図である。図１に示すように、合成ガス生成システム１００は、合成ガス生成装置１１０と、放散システム２００とを含んで構成される。図１中、砂の流れを一点鎖線の矢印で、砂以外のもの、例えば、ガス化原料、ガス、水、油等の流れを実線の矢印で示す。
合成ガス生成システム１００は、石油に代えて、石炭やバイオマス、タイヤチップ等の固体原料をガス化してガス化ガスを生成する技術である。石炭としては、泥炭、亜炭、褐炭、亜瀝青炭、瀝青炭、半無煙炭、無煙炭が挙げられる。以下、合成ガス生成システム１００を構成する合成ガス生成装置１１０、放散システム２００の具体的な構成について、その順に説明する。
（合成ガス生成装置１１０）
図１に示すように合成ガス生成装置１１０は、燃焼炉１１２と、媒体分離装置（サイクロン）１１４と、ガス化炉１１６と、改質炉（酸化改質炉）１１８とを含んで構成される。
合成ガス生成装置１１０では、全体として、粒径が３００μｍ程度の硅砂（珪砂）等の砂で構成される流動媒体を熱媒体として循環させている。具体的には、まず、流動媒体は、燃焼炉１１２で１０００℃程度に加熱され、二酸化炭素（ＣＯ２）を含む燃焼排ガスＥＸとともに媒体分離装置１１４に導入される。媒体分離装置１１４においては、高温の流動媒体と燃焼排ガスＥＸとが分離され、当該分離された高温の流動媒体が、ガス化炉１１６に導入される。そして、ガス化炉１１６に導入された流動媒体は、ガス化炉１１６の底面から導入されるガス化剤（水蒸気、窒素、空気、酸素、不活性ガス等）によって流動層化された後、最終的に、燃焼炉１１２に戻される。
ガス化炉１１６は、例えば、気泡流動層（バブリング流動層）ガス化炉であり、ガス化原料として、例えば、褐炭等の低品位燃料を７００℃〜９００℃でガス化させてガス化ガスを生成する。本実施形態では、ガス化炉１１６に水蒸気を供給することにより、ガス化原料をガス化させてガス化ガスを生成する（水蒸気ガス化）。
なお、ここでは、循環流動層方式のガス化炉１１６を例に挙げて説明するが、ガス化原料をガス化するガス化炉であれば、単なる流動層方式のガス化炉や、砂が自重で鉛直下方向に流下することで移動層を形成する移動層方式のガス化炉であってもよい。
改質炉１１８は、ガス化炉１１６で生成された合成ガスＸ１に酸素や空気を加え、９００〜１５００℃程度にして、合成ガスＸ１に含まれるタールを改質（酸化改質）する。改質炉１１８で改質された合成ガスＸ２には、アンモニアやタール等が含まれているため、合成ガスＸ２は、下流の放散システム２００に送出され、精製される。
（放散システム２００）
放散システム２００は、空気加熱部２１０と、ボイラ２１２と、洗浄部２１４と、原液送出部２１６と、潜熱交換器（第１の熱交換器）２２０と、顕熱交換器（第２の熱交換器）２２２と、空気導入部２２４と、放散塔２３０とを含んで構成される。
空気加熱部２１０は、合成ガスＸ２と空気との熱交換を行い、合成ガスＸ２を冷却するとともに、空気を加熱する。
ボイラ２１２は、合成ガスＸ２が有する熱で水を加熱して水蒸気を生成する。具体的に説明すると、ボイラ２１２は、合成ガスＸ２と水との熱交換を行い、合成ガスＸ２を冷却するとともに、水を加熱して水蒸気を生成する。ボイラ２１２出口の合成ガスＸ２の温度は、例えば、３００℃〜６００℃である。
洗浄部２１４は、合成ガスＸ２を水で洗浄することで、合成ガスＸ２中に含まれるアンモニアを水に吸収させ、アンモニアを吸収（溶解）したアンモニア含有液（原液）Ｙを得る。アンモニア含有液Ｙの温度は、例えば７０℃程度である。具体的に説明すると、洗浄部２１４は、スプレー塔で構成され、合成ガスＸ２に４０℃程度の冷却水をスプレー噴霧することにより、３００℃〜６００℃である合成ガスＸ２を５０℃程度に冷却する。これにより、合成ガスＸ２に含まれるアンモニアが水に吸収されて、合成ガスＸ２から除去され、精製ガスＸ３とアンモニア含有液Ｙが生成される。そして、生成された精製ガスＸ３は後段の精製ガス利用設備に供給される。
原液送出部２１６は、例えば、ポンプで構成され、洗浄部２１４で生成されたアンモニア含有液Ｙを後述する顕熱交換器２２２を介して放散塔２３０に送出する。
潜熱交換器２２０は、ボイラ２１２によって生成された水蒸気の潜熱を回収することで、水蒸気を凝縮して凝縮水とする。本実施形態において、潜熱交換器２２０は、ボイラ２１２によって生成された水蒸気と、ＬＮＧ（液化天然ガス）との熱交換を行うことで、水蒸気を凝縮するとともに、ＬＮＧを加熱してＮＧ（天然ガス）とする。生成されたＮＧは、補助ボイラの燃料や、フレア（不要な排気ガスを燃焼処理する設備）の助燃剤として利用される。また、潜熱交換器２２０で生成される凝縮水の温度は、例えば１００℃程度である。
顕熱交換器２２２は、潜熱交換器２２０によって凝縮された凝縮水の顕熱を回収し、当該回収した熱でアンモニア含有液Ｙを加熱する。具体的に説明すると、顕熱交換器２２２は、凝縮水とアンモニア含有液Ｙとの熱交換を行うことで、凝縮水を冷却するとともに、アンモニア含有液Ｙを加熱する。顕熱交換器２２２は、アンモニア含有液Ｙを、例えば８０℃〜９０℃程度に加熱する。
空気導入部２２４は、例えば、ブロアで構成され、空気加熱部２１０が加熱した空気（加熱空気）を、燃焼炉１１２と、放散塔２３０とに導入する。空気加熱部２１０および空気導入部２２４を備える構成により、燃焼炉１１２に導入される空気の温度を上昇させることができ、空気による燃焼炉１１２内の熱エネルギーの損失を低減することができる。したがって、燃焼炉１１２における燃料消費量を低減することが可能となる。
また、空気加熱部２１０および空気導入部２２４を備える構成により、後述する放散塔２３０内の温度を上昇させることができ、放散塔２３０におけるアンモニアの気化効率を向上することが可能となる。
放散塔２３０は、顕熱交換器２２２によって加熱されたアンモニア含有液Ｙと、加熱空気とが導入され、アンモニア含有液Ｙからアンモニアを気化させて（アンモニアを除去して）、放散ガス（アンモニア、水蒸気、空気の混合気）と、排水とを生成する。なお、放散塔２３０から排出される放散ガスの温度は、８０℃程度である。
図２は、放散塔２３０におけるアンモニア含有液Ｙの温度とアンモニアの除去率についての一例を説明するための図である。図２において、アンモニアの除去率１００％を「１」とする。なお、放散塔の原理では、アンモニア含有液から１００％アンモニアを除去することはできない。図２に示すように、放散塔２３０においては、アンモニア含有液Ｙの温度が高いほど、アンモニア含有液Ｙからのアンモニアの除去率（気化効率）が向上する。
従来の放散ガスが有する熱でアンモニア含有液Ｙを予熱する技術では、６０℃程度までしかアンモニア含有液Ｙを加熱することができず、そのままでは除去率が０．７２程度に留まっていた。したがって、アンモニアの除去率を上げるためには、気液接触面積を増大させる処理、ｐＨを高くする処理等の処理が必要となっていた。
しかし、本実施形態では、顕熱交換器２２２がアンモニア含有液Ｙを８０℃〜９０℃程度まで加熱することができるため、アンモニアの除去率を０．８２〜０．８５程度まで向上させることが可能となる。したがって、放散ガスが有する熱でアンモニア含有液Ｙを予熱する従来技術と比較して、アンモニアの除去率を０．１以上、すなわち、１０％以上向上させることが可能となる。
また、例えば、放散塔２３０においてアンモニアの除去率を０．８に設定する場合、放散ガスが有する熱でアンモニア含有液Ｙを予熱する従来技術では、水蒸気の導入が不可欠であるが、本実施形態の放散システム２００では、顕熱交換器２２２が、アンモニア含有液Ｙを十分に加熱することができるため、水蒸気の導入が不要となる。したがって、放散ガスが有する熱でアンモニア含有液Ｙを予熱する従来技術と同程度の除去率とする場合、放散塔２３０への水蒸気導入量を著しく低減することが可能となる。したがって、放散塔２３０から排出される排水量の増加を抑制することが可能となる。これにより、排水を処理するためのコストを低減することができる。なお、アンモニアの除去率の目標値は、アンモニア含有液Ｙのアンモニア濃度や、排水を廃棄する地域の規制値によって適宜変更するとよい。
さらに、顕熱交換器２２２は、本来廃棄されていた凝縮水が有する熱でアンモニア含有液Ｙを加熱するため、アンモニア含有液Ｙを加熱（予熱）するためのエネルギーを削減することが可能となる。
また、空気導入部２２４が放散塔２３０に加熱空気を導入する構成により、放散塔２３０内のアンモニア含有液Ｙの温度をさらに上昇させることができ、アンモニア含有液Ｙからのアンモニアの気化効率をさらに向上させることが可能となる。また、アンモニア含有液Ｙの加熱を行わず放散塔２３０内に水蒸気を導入する従来技術と同程度の除去率とする場合、放散塔２３０への水蒸気導入量を著しく低減することができる。
（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、合成ガス生成システム１００が、アンモニア含有液Ｙからアンモニアを気化させて除去する放散塔２３０を備え、放散塔２３０に導入するアンモニア含有液Ｙを加熱する構成について説明した。本実施形態では、合成ガス生成システムが、アンモニアとは異なる他の物質を気化させて除去する放散塔を備える構成について説明する。
図３は、第２の実施形態にかかる合成ガス生成システム３００を説明するための図である。図３に示すように、合成ガス生成システム３００は、合成ガス生成装置１１０と、放散システム４００とを含んで構成される。図３中、砂の流れを一点鎖線の矢印で、砂以外のもの、例えば、ガス化原料、ガス、水、油等の流れを実線の矢印で示す。また、第１の実施形態における構成要素として既に述べた合成ガス生成装置１１０は、実質的に機能が等しいので重複説明を省略する。
（放散システム４００）
図３に示すように、放散システム４００は、空気加熱部２１０と、ボイラ２１２と、洗浄部２１４と、潜熱交換器（第１の熱交換器）２２０と、吸収部４３０と、原液送出部４３２と、顕熱交換器（第２の熱交換器）４３４と、吸収液熱交換器４３６と、再生部４４０とを含んで構成される。なお、第１の実施形態における構成要素として既に述べた空気加熱部２１０、ボイラ２１２、洗浄部２１４、潜熱交換器２２０は、実質的に機能が等しいので重複説明を省略し、ここでは、吸収部４３０、原液送出部４３２、顕熱交換器４３４、吸収液熱交換器４３６、再生部４４０について詳述する。
洗浄部２１４によって洗浄された精製ガスＸ３には、酸性ガスが含まれている場合があり、後段の精製ガス利用設備によっては、精製ガスＸ３から酸性ガスを除去する必要がある。そこで、本実施形態では、吸収部４３０で精製ガスＸ３から酸性ガスを除去する。
吸収部（吸収塔）４３０は、酸性ガス（ここでは、二酸化炭素）を含有する精製ガスＸ３と、吸収液（以下、リーン吸収液Ｌと称する）とが導入され、精製ガスＸ３をリーン吸収液Ｌで洗浄する。そうすると、精製ガスＸ３中に含まれる二酸化炭素がリーン吸収液Ｌに吸収されて、二酸化炭素が除去された精製ガスＸ４と、二酸化炭素を吸収した酸性ガス含有吸収液（原液）Ｚが得られる。
リーン吸収液Ｌは、例えば、アルカノールアミン類等の二酸化炭素に対して親和性を有する化合物を吸収剤として含有する水溶液で構成される。
原液送出部４３２は、例えば、ポンプで構成され、吸収部４３０で生成された酸性ガス含有吸収液Ｚを後述する顕熱交換器４３４、吸収液熱交換器４３６を介して放散塔４４２に送出する。
顕熱交換器４３４は、潜熱交換器２２０によって凝縮された凝縮水の顕熱を回収し、当該回収した熱で、吸収部４３０から排出された酸性ガス含有吸収液Ｚを加熱する。具体的に説明すると、顕熱交換器４３４は、凝縮水と酸性ガス含有吸収液Ｚとの熱交換を行うことで、凝縮水を冷却するとともに、酸性ガス含有吸収液Ｚを加熱する。顕熱交換器４３４は、酸性ガス含有吸収液Ｚを、例えば８０℃〜９０℃程度に加熱する。
吸収液熱交換器４３６は、顕熱交換器４３４によって加熱された酸性ガス含有吸収液Ｚと、後述する放散塔４４２から排出されたリーン吸収液Ｌとで熱交換を行うことで、リーン吸収液Ｌを冷却するとともに、酸性ガス含有吸収液Ｚをさらに加熱する。
再生部４４０は、吸収部４３０から送出された酸性ガス含有吸収液Ｚを加熱し、酸性ガス含有吸収液Ｚから二酸化炭素を気化させることで、酸性ガス含有吸収液Ｚをリーン吸収液Ｌに再生する。具体的に説明すると、再生部４４０は、放散塔４４２と、リボイラ４４４とを含んで構成される。
放散塔４４２には、顕熱交換器４３４および吸収液熱交換器４３６によって加熱された酸性ガス含有吸収液Ｚが導入され、リボイラ４４４によるさらなる加熱によって、酸性ガス含有吸収液Ｚから二酸化炭素を気化させて、放散ガス（二酸化炭素と水蒸気との混合気）と、リーン吸収液Ｌとを生成する。
リボイラ４４４は、循環ライン４４６と、加熱部４４８とを含んで構成され、放散塔４４２中の酸性ガス含有吸収液Ｚを還流させる。具体的に説明すると、循環ライン４４６は、放散塔４４２から酸性ガス含有吸収液Ｚを放散塔４４２外に一旦送出した後、放散塔４４２に再度導入することで酸性ガス含有吸収液Ｚを循環させる。加熱部４４８は、スチームヒータ、電気ヒータ等で構成され、循環ライン４４６を流通する酸性ガス含有吸収液Ｚを加熱する。
吸収液の流れについて説明すると、吸収部４３０において生成された酸性ガス含有吸収液Ｚは、顕熱交換器４３４、吸収液熱交換器４３６で加熱されて、放散塔４４２へ送出される。そして、放散塔４４２に導入された酸性ガス含有吸収液Ｚは、リボイラ４４４によってさらに加熱される。そして、リボイラ４４４によるさらなる加熱によって、酸性ガス含有吸収液Ｚから二酸化炭素を気化させて除去する。放散塔４４２において二酸化炭素が除去されることで再生されたリーン吸収液Ｌは、吸収液熱交換器４３６で冷却されて、吸収部４３０に返送される。こうして、吸収液は、吸収部４３０と放散塔４４２とを循環することになる。
ここで、放散塔４４２における酸性ガス含有吸収液Ｚからの二酸化炭素の気化について説明すると、放散塔４４２においては、酸性ガス含有吸収液Ｚの温度が高いほど、酸性ガス含有吸収液Ｚからの二酸化炭素の除去率（気化効率）が向上する。
そこで、本実施形態では、顕熱交換器４３４を用いて、酸性ガス含有吸収液Ｚを加熱した後に、酸性ガス含有吸収液Ｚを放散塔４４２に導入する。これにより、リボイラ４４４による加熱が同程度である場合、酸性ガス含有吸収液Ｚを加熱せずに放散塔４４２に導入する構成、もしくは、酸性ガス含有吸収液Ｚを吸収液熱交換器４３６でのみ加熱する構成と比較して、二酸化炭素の除去率を向上させることが可能となる。
また、顕熱交換器４３４が、酸性ガス含有吸収液Ｚを十分に加熱することができるため、酸性ガス含有吸収液Ｚを加熱せずに放散塔４４２に導入する構成、もしくは、酸性ガス含有吸収液Ｚを吸収液熱交換器４３６でのみ加熱する構成と同程度の除去率とする場合、リボイラ４４４による加熱量を著しく低減することが可能となる。
さらに、顕熱交換器４３４は、本来廃棄されていた凝縮水が有する熱で酸性ガス含有吸収液Ｚを加熱するため、酸性ガス含有吸収液Ｚを加熱するためのエネルギー（リボイラ４４４が要するエネルギー）を削減することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上述した実施形態において、ボイラ２１２は、ガス化炉１１６で生成された合成ガスＸ２を熱源としているため、合成ガスＸ２を冷却しつつ、水蒸気を生成することができるが、ボイラ２１２は、少なくとも水蒸気を生成できればよく、ボイラ２１２の熱源に限定はない。
また、上述した第１の実施形態において、洗浄部２１４で得られるアンモニア含有液Ｙに、タールやスラッジが含まれる場合がある。この場合、洗浄部２１４と顕熱交換器２２２との間に、アンモニア含有液Ｙからタールやスラッジを除去する除去機構を備えるとしてもよい。
また、上述した実施形態において、潜熱交換器２２０は、ボイラ２１２によって生成された水蒸気の潜熱でＬＮＧを加熱する構成について説明した。しかし、潜熱交換器２２０は、ボイラ２１２によって生成された水蒸気の潜熱を回収して、水蒸気を凝縮できれば、他の物質を加熱してもよい。例えば、リボイラや、褐炭（相対的に含水率が高い石炭）の乾燥用熱源として用いてもよい。
また、上述した第２の実施形態では、酸性ガスの例として、二酸化炭素を例に挙げて説明した。しかし、酸性ガスは、硫化水素等であってもよい。酸性ガスを硫化水素とする場合、吸収液を、硫化水素に対して親和性を有する化合物を吸収剤として含有する水溶液で構成することは言うまでもない。
また、上述した第２の実施形態の合成ガス生成システム３００に、放散塔２３０を備えるとしてもよい。
本発明は、原液に溶解した対象物を気化させて、原液から対象物を分離する放散システムに利用することができる。
１１６ …ガス化炉
１１８ …改質炉
２００、４００ …放散システム
２１０ …空気加熱部
２１２ …ボイラ
２１４ …洗浄部
２２０ …潜熱交換器（第１の熱交換器）
２２２、４３４ …顕熱交換器（第２の熱交換器）
２２４ …空気導入部
２３０、４４２ …放散塔
４３０ …吸収部

Claims (5)

  1. 水を加熱して水蒸気を生成するボイラと、
    前記ボイラによって生成された水蒸気の潜熱を回収することで、該水蒸気を凝縮して１００℃の凝縮水とする第１の熱交換器と、
    前記凝縮水の顕熱を回収し、当該回収した熱で、アンモニアを吸収した原液、または、酸性ガスを吸収した原液を加熱する第２の熱交換器と、
    加熱された前記原液が導入され、当該原液からアンモニア、または、酸性ガスを気化させる放散塔と、
    を備えたことを特徴とする放散システム。
  2. 加熱された空気を前記放散塔に導入する空気導入部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の放散システム。
  3. 前記ボイラの熱源は、ガス化原料を加熱することで生成される合成ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の放散システム。
  4. 前記合成ガスを水で洗浄することで、該合成ガス中に含まれるアンモニアを該水に吸収させ、前記アンモニアを吸収した原液を得る洗浄部を備え、
    前記第２の熱交換器は、前記凝縮水の顕熱を回収し、当該回収した熱で、前記洗浄部で得られた原液を加熱し、
    前記放散塔は、加熱された前記原液が導入され、当該原液からアンモニアを気化させることを特徴とする請求項３に記載の放散システム。
  5. 前記合成ガスを吸収液で洗浄することで、該合成ガス中に含まれる酸性ガスを該吸収液に吸収させ、前記酸性ガスを吸収した原液を得る吸収部を備え、
    前記第２の熱交換器は、前記凝縮水の顕熱を回収し、当該回収した熱で、前記吸収部で得られた原液を加熱し、
    前記放散塔は、加熱された前記原液が導入され、当該原液から酸性ガスを気化させることを特徴とする請求項３に記載の放散システム。
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