JP7038885B1 - 二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の冷却システム、冷却方法、およびその冷却システムを備える液化二酸化炭素貯蔵タンク、その液化二酸化炭素貯蔵タンクを備える船舶 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献2は、液化二酸化炭素貯蔵タンクから放出された二酸化炭素ガスを回収し、冷却ユニットで液化して、液化二酸化炭素貯蔵タンクに戻すことを開示している。
特許文献3は、液化天然ガス輸送船における天然ガスを圧縮機で圧縮し、冷却して液化し液化天然ガスタンクに戻すことを開示している。
また、貯蔵タンク内を低圧化で、液化二酸化炭素(「液化炭酸ガス」ともいう。)の固化(「ドライアイス」、「固形炭酸」ともいう。)を抑制しつつ、液化二酸化炭素を保持貯蔵可能な貯蔵方法を提供する。
二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の冷却システム(1)は、
液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)から(直接または間接に)送られる、二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の温度よりも低温の一次冷媒(R1)を収容する一次冷媒タンク(11)と、当該一次冷媒(R1)によって冷却される当該二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素が移動する熱交換通路部(12)と、当該一次冷媒(R1)を冷却するための二次冷媒(R2)が移動する二次冷媒通路部(13)と、を有する冷却装置(10)と、
前記一次冷媒(R1)を冷却するための二次冷媒(R2)を貯留する二次冷媒タンク(21)と、
前記二次冷媒タンク(21)から前記二次冷媒(R2)を前記二次冷媒通路部(13)へ導入する二次冷媒導入部(22)と、
前記二次冷媒通路部(13)と接続され前記二次冷媒(R2)を導出する二次冷媒排出部(23)と、
を備える。
前記一次冷媒タンク(11)は前記一次冷媒(R1)を収容し、かつ前記二次冷媒通路部(13)および前記熱交換通路部(12)が当該一次冷媒タンク(11)内を通過するまたは接触することで、熱交換通路部(12)を移動する二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素が一次冷媒(R1)によって冷却される構成であってもよい。
前記冷却システム(1)は、
一次冷媒タンク(11a)から送られる一次冷媒(R1)が移動する一次冷媒通路部(11d)と、
一次冷媒通路部(11d)が通過し、かつ二次冷媒通路部(13)が通過することで、二次冷媒(R2)で一次冷媒(R1)を冷却する第一熱交換器(11b)と、
第一熱交換器(11b)を通過した一次冷媒通路部(11d)が通過し、かつ熱交換通路部(12)が通過することで、一次冷媒(R1)で二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素を冷却する第二熱交換器(11c)と、を備えていてもよい。
前記熱交交換通路部(12)は、一次冷媒との熱交換手段に導入されてもよく、例えば、上記の一次冷媒タンク(11)や、第二熱交換器(11c)に導入されてもよい。
前記一次冷媒(R1)は、例えば、プロパン、エタン、エチレン、フッ化炭化水素などの炭化水素化合物、アンモニア、水の1種または2種以上の混合物でもよい。
前記二次冷媒(R2)は、再生可能エネルギーで液化された物質が好ましい。これにより、二酸化炭素の冷却に係る温室効果ガス排出を無くすことが可能になる。
前記二次冷媒(R2)は、前記一次冷媒(R1)を冷却する際に、一次冷媒(R1)よりも低温であることが好ましい。
前記二次冷媒(R2)は、例えば、窒素、空気、酸素、アルゴン等の1種または2種以上の混合物でもよい。これらのガスは、寒冷を放出した後に大気放出されたとしても、大気より採取されたガスであるので、温室効果をもたらさない。
前記二次冷媒(R2)は、例えば、水素、メタン、天然ガスであってもよい。これらのガスは、液化ガス燃料として船舶に積載されており、気化された後にエンジン、または燃料電池等で消費され、船舶駆動用の動力や電力が得られる。この気化の際に放出される寒冷を冷却装置における二酸化炭素の冷却(つまり、一次冷媒の冷却)に利用すれば、燃料の液化ガス燃料タンクを二次冷媒タンクとして兼用することもでき、全体的に低コストでの運用が可能になる。
前記熱交換通路部(12)の入口側と接続され、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)から(直接または間接に)送られる、二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素を導入する導入部(31)と、
前記熱交換通路部(12)の出口側と接続され、冷却済み二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素が導出され、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)へ返送する返送部(32)と、
を備えていてもよい。
導入部(31)および/または返送部(32)に、例えば、仕切り弁、自動開閉弁、流量制御弁などの弁(手動または自動を問わない)、温度センサー、流量センサー、圧力センサーなどが設けられていてもよい。
前記導入部(31)は、液化二酸化炭素を前記冷却装置(10)へ送るための液送ポンプが設けられていてもよい。前記導入部(31)は、前記液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)の液面よりも下に配置される液送ポンプ(35)に接続されていてもよい。液送ポンプ(35)は、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)に設置されている液化二酸化炭素を排出する排出ポンプと兼用していてもよい。
前記液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)から前記一次冷媒タンク(11)または第二熱交換器(11c)までの経路上または前記導入部(31)に、前記液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)から送られる二酸化炭素ガスを圧縮または加圧する圧縮手段または加圧手段(圧縮機または加圧器)が設けられていてもよい。二酸化炭素ガスの圧力を上昇させることで、液化を促進させることができる。
前記返送部(32)は、その先端出口部が、前記液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)の液面よりも上、または下まで延設されていてもよい。
返送部(32)に、例えば、スプレーノズルが設けられていてもよい。スプレーノズルが気相および/または液相へ冷却された液化二酸化炭素および/または冷却された二酸化炭素ガスを噴霧する構成であってもよい。
前記返送部(32)は、例えば、気体および/または液体を吸引するための吸引ポンプ、液送ポンプ、真空ポンプなどが備えられていてもよい。
一次冷媒通路部(11d)および/または一次冷媒タンク(11a)は、一次冷媒(R1)を、一次冷媒タンク(11a)から第一熱交換器(11b)、第二熱交換器(11c)を介して一次冷媒タンク(11a)へと循環するための循環ポンプ(11e)(例えば、液送ポンプ)が設けられていてもよい。
前記液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)は、その内部圧力が、例えば、7MPa未満であること、5MPa未満であること、4MPa未満であること、2MPa未満であってもよい。
前記液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)の内部圧力(気相空間の圧力)を測定する圧力測定部(53)と、
前記圧力測定部(53)で測定された内部圧力がタンク内圧力設定値(設定値は幅のある数値範囲を含む)を超えた場合に、二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素を前記熱交換手段(前記一次冷媒タンク(11)または第二熱交換器(11c))へ前記導入部(31)を通じて(例えば、弁を開ける、液送ポンプ(35)を駆動するなどして)、送るように制御する導入制御部(55)と、を備えていてもよい。
前記液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)の内部温度(例えば、気相の温度、液相の温度)を測定する温度測定部と、
前記導入制御部(55)は、前記温度測定部で測定された内部温度がタンク内温度設定値(気相の温度および/または液相の温度の設定値は幅のある数値範囲を含む)を超えた場合に、二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素を前記熱交換手段(前記一次冷媒タンク(11)または第二熱交換器(11c))へ前記導入部(31)を通じて送るように制御してもよい。
前記温度測定部は、複数の温度測定手段を有し、前記液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)内に、その高さ方向で所定の間隔に配置されていてもよい。
前記導入制御部(55)は、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)の内部温度(液相、気相)および/または内部圧力(液相、気相)の状態に対応して制御してもよい。
導入制御部(55)は、測定された内部温度(液相の温度)がタンク内温度設定値(第三閾値)を超えた場合に、液化二酸化炭素を前記熱交換手段(一次冷媒タンク(11)または第二熱交換器(11c))へ送るように制御してもよい。
導入制御部(55)は、測定された内部温度(気相の温度)がタンク内温度設定値(第四閾値(第三閾値より大きい))を超えた場合に、二酸化炭素ガスを前記熱交換手段(一次冷媒タンク(11)または第二熱交換器(11c))へ送るように制御してもよい。
前記導入制御部(55)は、導入部(31)および/または返送部(32)に設置されている、例えば、仕切り弁、自動開閉弁(551)、流量制御弁などの弁、温度センサー、流量センサー、圧力センサーや、液送ポンプ(35)などを制御してもよい。
タンク内圧力設定値(気相)は、例えば、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)の仕様において設定されている内圧よりも10%以上、20%以上の値であってもよい。
タンク内温度設定値(液相、気相)は、例えば、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)の仕様、液化二酸化炭素の状態に応じて設定されている温度よりも10%以上、20%以上の値であってもよい。
前記一次冷媒タンク(11、11a)または一次冷媒通路部(11d)内の一次冷媒(R1)の温度を測定する少なくとも1つの温度測定部(18)と、
前記温度測定部(18)で測定された一次冷媒の温度(複数個所で測定された2以上の温度の平均値、複数個所で測定された各温度、最大値、最小値の内のいずれか1つ以上)が、任意の圧力(予め設定された閾値またはタンク内圧力設定値以下の値が好ましい。)における二酸化炭素の固化点(固化する温度)より低い温度にならないように(固化点より高くなるように)、前記二次冷媒(R2)の流量を制御する二次冷媒流量制御部(231)と、を備えていてもよい。
前記二次冷媒流量制御部(231)は、例えば、二次冷媒タンク(21)内、二次冷媒導入部(22)および/または二次冷媒排出部(23)に設けられる液送ポンプを制御して二次冷媒(R2)の流量を制御してもよく、二次冷媒通路部(13)、二次冷媒導入部(22)および/または二次冷媒排出部(23)などの経路上の任意の場所に設けられるマスフローメータおよびその連動弁、マスフローコントローラ、流量制御弁などを制御して二次冷媒(R2)の流量を制御してもよい。
前記二次冷媒排出部(23)は、その遠位端に二次冷媒を大気へ放出する放出口を備えていてもよい。
前記差圧は、導入部(31)および返送部(32)のそれぞれに設けられている圧力測定手段(例えば、圧力計)の測定から演算されてもよく、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)の気相の圧力を導入部(31)の圧力とみなしてもよい。
前記物理量(例えば、温度、熱量、圧力)は、前記導入部(31)および前記返送部(32)のそれぞれに設けられている各測定手段(例えば、温度センサー、熱量測定手段、圧力センサーなど)の測定値から得られてもよい。
また、上記の一次冷媒温度、差圧、物理量に基づいて制御する前記二次冷媒流量制御部(231)とは異なる流量制御部が、前記二次冷媒流量制御部(231)と同様の制御をしてもよい。
前記第一熱交換通路部(612)の入口側と接続され、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)から(直接または間接に)送られる、二酸化炭素ガスを導入する第一導入部(631)と、前記第一熱交換通路部(612)の出口側と接続され、冷却済み二酸化炭素ガス(液化した状態も含む)が導出され、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)へ返送する第一返送部(632)と、および/または、
前記第二熱交換通路部(712)の入口側と接続され、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)から(直接または間接に)送られる、液化二酸化炭素を導入する第二導入部(731)と、前記第二熱交換通路部(712)の出口側と接続され、冷却済み液化二酸化炭素が導出され、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)へ返送する第二返送部(732)と、
を備えていてもよい。
前記導入制御部(55)は、第一導入部(631)および/または第一返送部(632)に設置されている、例えば、仕切り弁、自動開閉弁、流量制御弁などの弁、温度センサー、流量センサー、圧力センサーや、液送ポンプ(35)などを制御してもよい。
前記導入制御部(55)は、第二導入部(731)および/または第一返送部(732)に設置されている、例えば、仕切り弁、自動開閉弁、流量制御弁などの弁、温度センサー、流量センサー、圧力センサーや、液送ポンプ(35)などを制御してもよい。
前記二次冷媒流量制御部(231)は、第一導入部(631)および第一返送部(632)との間の差圧、および/または第二導入部(731)および第二返送部(732)との間の差圧から、前記二次冷媒(R2)の流量を制御してもよい。
前記二次冷媒流量制御部(231)は、第一導入部(631)および/または第一返送部(632)を流れる二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の物理量(例えば、温度、熱量、圧力)から、前記二次冷媒(R2)の流量を制御してもよい。
前記二次冷媒流量制御部(231)は、第二導入部(731)および/または第二返送部(732)を流れる二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の物理量(例えば、温度、熱量、圧力)から、前記二次冷媒(R2)の流量を制御してもよい。
導入部(第一、第二導入部)が入口部(例えば、第一、第二温端)と接続されていてもよい。返送部(例えば、第一、第二返送部)が出口部(例えば、第一、第二冷端)と接続されていてもよい。
熱交換通路部(第一、第二熱交換通路部)の入口部(例えば、第一、第二温端)および/または出口部(例えば、第一、第二冷端)に、例えば、仕切り弁、自動開閉弁、流量制御弁などの弁、温度センサー、流量センサー、圧力センサーなどが設けられていてもよい。
二次冷媒導入部(22)が二次冷媒入口部(例えば、冷端131)と接続されてもよい。二次冷媒排出部(23)が二次冷媒出口部(例えば、温端132)と接続されていてもよい。
二次冷媒通路部(13)は、二次冷媒入口部および/または二次冷媒出口部に、例えば、仕切り弁、自動開閉弁、流量制御弁などの弁、温度センサー、流量センサー、圧力センサーが設けられていてもよい。
二次冷媒導入部(22)および/または二次冷媒排出部(23)に、例えば、仕切り弁、自動開閉弁、流量制御弁などの弁、温度センサー、流量センサー、圧力センサーが設けられていてもよい。
冷却済み二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素は、少なくとも入口部(例えば、温端121)で導入された二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の温度よりも低い温度状態となっており、好ましくは返送される二酸化炭素が液化状態であり、より好ましくは入口部(例えば、温端121)で導入された液化二酸化炭素の温度よりも低い温度の液化状態である。ただし、他の液体と一緒に流体として流れる状態である場合には一部が固化していてもよい。
前記一次冷媒タンク(11)または第一熱交換器(11b)を通過した(一次冷媒と熱交換した後の)前記二次冷媒(R2)を加温する加温装置(140)および/または圧縮する圧縮装置(150)を、さらに備えていてもよい。
加温された二次冷媒は、冷媒以外の用途に対して適温で供給することが可能となる。圧縮された二次冷媒は、燃料用途で使用する場合に、燃焼炉や発動機に導入するに適した圧力で供給することが可能となる。冷却システムおよび供給先システムにおける全体の費用対効果を向上させることができる。
「直接または間接に送る」は、配管で送られる場合に配管が1つであること、配管に継手、フランジ、弁、各種測定装置、ポンプ、加圧装置などが設置されていること、メイン配管とバイパス配管が設けられていること、配管途中にバッファタンクが設けられていることなどを含む。
二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の冷却方法は、
一次冷媒(R1)を、その温度よりも低温の二次冷媒(R2)によって冷却する工程(A)と、
液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)の内部圧力(気相空間の圧力)が予め設定された閾値(例えば、タンク内圧力設定値であってもよい)を超えた場合に、二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素を一次冷媒(R1)で冷却させるために、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)から一次冷媒と熱交換するための熱交換手段(例えば、一次冷媒タンク(11)または第二熱交換器(11c))へ送る導入工程(B)と、
液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)からに送られる、二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素を、その温度よりも低温の一次冷媒(R1)によって冷却する工程(C)と、
を含む。
前記工程(A)は、その目的を達成する限り、工程(B)の開始前、開始と同じタイミング(実質的に同じタイミングを含む)、開始後に行われてもよい。
前記冷却方法は、
一次冷媒(R1)の温度が、任意の圧力における二酸化炭素の固化点より低い温度にならないように(固化点と同じまたは固化点より高くなるように)、前記二次冷媒(R2)の流量を制御する工程(A-1)と、を含んでいてもよい。
前記冷却方法は、
二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素が、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)から前記熱交換手段へ送られる導入経路(例えば、導入部(31))および前記熱交換手段から液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)へ戻る返送経路(例えば、返送部(32))との間の差圧から、二酸化炭素の状態を判断し、その判断結果に応じて、前記二次冷媒(R2)の流量を制御する工程(A-2)を含んでいてもよい。
前記冷却方法は、
二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素が、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)から前記熱交換手段へ送られる導入経路(例えば、導入部(31))および/または前記熱交換手段から液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)へ戻る返送経路(例えば、返送部(32))を流れる二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の物理量(例えば、温度、熱量、圧力)から、二酸化炭素の状態を判断し、その判断結果に応じて、前記二次冷媒(R2)の流量を制御する工程(A-3)を含んでいてもよい。
液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)は、上記の冷却システム(1)を備えていてもよい。
冷却システム(1)が、液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)を備えていてもよい。
液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)に、安全弁が設けられていてもよい。
船舶は、上記冷却システム(1)および液化二酸化炭素貯蔵タンク(5)を備えていてもよい。
船舶は、前記加温された二次冷媒(R2)が供給される供給手段を備えていてもよい。
船舶は、前記圧縮された二次冷媒(R2)が燃料用途として使用される、燃焼炉や発動機を備えていてもよい。
実施形態1の冷却システム1について図1Aを用いて説明する。
冷却システム1は、冷却装置10と、二次冷媒タンク21と、第一導入部631と、第一返送部632とを備える。
第一導入部631は、液化二酸化炭素貯蔵タンク5から送られる、二酸化炭素ガスを冷却装置10の第一熱交換通路部612へ導入する手段であり、例えば、配管、自動圧力調整弁(予め設定される圧力設定値を超えると開閉が自動で調整される弁)などを有して構成されていてもよい。
第一返送部632は、第一熱交換通路部612の出口側と接続され、第一熱交換通路部612を通過して冷却された冷却済み二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素が導出され、液化二酸化炭素貯蔵タンク5へ返送する手段であり、例えば、配管、その配管の先端にスプレーノズルが設けられていてもよい。
一次冷媒タンク11は、液化二酸化炭素貯蔵タンク5から送られる、二酸化炭素ガスの温度よりも低温の一次冷媒R1を収容する。第一熱交換通路部612は、一次冷媒タンク11内を通過し、その内部を二酸化炭素ガスが移動する。移動する過程で、一次冷媒R1の冷熱によって二酸化炭素ガスが冷却される。第一熱交換通路部612は、液化二酸化炭素貯蔵タンク5から送られる二酸化炭素ガスが導入される入口部(温端121)と、一次冷媒R1で冷却された、冷却済み二酸化炭素ガスが導出される出口部(冷端122)と、有している。第一導入部631が入口部(温端121)と接続され、第一返送部632が出口部(冷端122)と接続される。
二次冷媒排出部23は、二次冷媒通路部13を通過した二次冷媒R2を導出するため、二次冷媒出口部(温端132)と接続される。二次冷媒排出部23によって導出された二次冷媒R2は、大気成分のいずれかと同じであれば、例えば、窒素、酸素、アルゴン、空気の場合に、大気にそのまま放出されてもよい。
液化二酸化炭素貯蔵タンク5の気相に溜まった二酸化炭素ガスの影響で気相の圧力が予め設定された閾値(閾値は、例えば、タンク内圧力設定値であってもよく、別の値であってもよい。)を超えたときに、自動圧力調整弁が開き、二酸化炭素ガスが第一導入部631へ侵入し、第一熱交換通路部612で冷却され、第一返送部632を介して液化二酸化炭素貯蔵タンク5へ戻る。二酸化炭素ガスは冷却装置10の第一冷媒R1によって冷却され、液化二酸化炭素、冷却された気体状態の二酸化炭素または気液混合状態の二酸化炭素として、液化二酸化炭素貯蔵タンク5へ戻される。これにより、二酸化炭素ガスを大気へ放出しなくてもよくなる。また、冷却された液化二酸化炭素をスプレーノズルで気相空間の二酸化炭素ガスに対して噴霧することで、気相空間の二酸化炭素ガスを冷却することができる。
また、一次冷媒R1は、連続的にまたは不連続的に供給される二次冷媒R2によって冷却される。二次冷媒R2を送り込むために、液送ポンプ211の駆動開始を、液化二酸化炭素貯蔵タンク5の気相に溜まった二酸化炭素ガスの圧力が予め設定された閾値を超えた場合(自動圧力調整弁が開いた場合)に連動させてあってもよい。
図1Bの別の構成例を説明する。図1Bの別の構成例は、液化二酸化炭素貯蔵タンク5の内部の液送ポンプ35が、タンク内の液化二酸化炭素を冷却装置10へ送り込む。同じ符号は図1Aの実施形態1と同じであるため説明を省略または簡単にする。
第二導入部731は、液送ポンプ35と接続され、液化二酸化炭素が、第二導入部731に導入され、第二熱交換通路部712、第二返送部732を介して液化二酸化炭素貯蔵タンク5へ戻る。液化二酸化炭素は冷却装置10の第一冷媒R1によって冷却され、冷却された液化二酸化炭素の状態で、液化二酸化炭素貯蔵タンク5へ戻す。これにより、タンク内の液化二酸化炭素を冷却(つまり、サブクール)することができ、例えば、タンク内の液相から気相へ二酸化炭素ガスの発生を抑制できる。さらに、タンク内の圧力上昇を抑制するように、タンク内の液化二酸化炭素の保冷をすることもできる。
冷却システム1は、液化二酸化炭素貯蔵タンク5の内部温度(例えば、気相の温度、液相の温度)を測定する温度測定部を備え、温度測定部で測定された内部温度がタンク内温度設定値(気相の温度および/または液相の温度の設定値は幅のある数値範囲と含む)を超えた場合に、液送ポンプ35を駆動し、液化二酸化炭素を一次冷媒タンク11へ第二導入部731を通じて送るように制御する制御部を備えていてもよい。
図1Cの別の構成例を説明する。図1Cの別の構成例は、液化二酸化炭素貯蔵タンク5の内部の液送ポンプ35が、タンク内の液化二酸化炭素を冷却装置10へ送り込む。同じ符号は図1Bの別の構成例1と同じであるため説明を省略または簡単にする。
一次冷媒タンク11aは、一次冷媒R1が収容されている。一次冷媒タンク11aと、第一熱交換器11bと、第二熱交換器11cとが、一次冷媒通路部11dで接続される。一次冷媒通路部11dに配置された循環ポンプ11eによって、一次冷媒タンク11aの一次冷媒R1が一次冷媒通路部11dを通じて循環する。
第一熱交換器11bにおいて、一次冷媒通路部11dと二次冷媒通路部13が通過することで、二次冷媒R2で一次冷媒R1が冷却される。第二熱交換器11cにおいて、一次冷媒通路部11dが通過し、かつ熱交換通路部12が通過することで、一次冷媒R1で液化二酸化炭素が冷却(つまり、サブクール)される。
一次冷媒R1は、第一熱交換器11bで二次冷媒R2によって冷却され、その直後に第二熱交換器11cの冷端側に供給される。すなわち、最も温度が低い液化二酸化炭素が、液化二酸化炭素貯蔵タンク5に返送される。第二熱交換器11cから導出された一次冷媒R1は、一次冷媒タンク11aに戻された後、循環ポンプ11eによって再度第一熱交換器11bに循環される。
実施形態2の冷却システム1について図2を用いて説明する。同じ符号は図1Aの実施形態1と同じであるため説明を省略または簡単にする。
冷却システム1は、導入側圧力測定部53と、導入制御部55を備える。
導入側圧力測定部53は、液化二酸化炭素貯蔵タンク5の内部圧力(気相空間の圧力=第一導入部631の入口側)を測定する。導入制御部55は、圧力測定部53で測定された内部圧力がタンク内圧力設定値を超えた場合に、導入流量制御弁531を開け、気相の二酸化炭素ガスを導入し一次冷媒タンク11へ送るように制御する。気相の圧力が高いため、弁を開けた場合、吸引ポンプの駆動を用いなくとも導入されるようにタンク内圧力設定値が設定される。
導入制御部55は、圧力測定部53で測定された内部圧力がタンク内圧力設定値(第一閾値)を超えた場合に、二酸化炭素ガスを一次冷媒タンク11へ送るように制御してもよい。また、図1Bの構成において、導入制御部55は、測定された内部圧力がタンク内圧力設定値(第二閾値)を超えた場合に、液化二酸化炭素を一次冷媒タンク11へ送るように制御してもよい。
温度測定部18は、一次冷媒タンク11内の一次冷媒R1の温度を測定する。温度測定部18は1つまたは複数配置されていてもよい。
二次冷媒流量制御部231は、温度測定部18で測定された一次冷媒R1の温度が、任意の圧力における二酸化炭素の固化点より低い温度にならないように、二次冷媒排出部23に配置されている二次冷媒流量制御弁2311を制御し、二次冷媒(R2)の流量を調整する。
二次冷媒流量制御部231は、測定された一次冷媒の温度が固化点より低くなれば流量を少なく、または供給を停止(あるいは間欠供給)し、測定された一次冷媒の温度が固化点と同じまたは固化点より高い場合には、固化点から所定の温度範囲(例えば、固化点を基準に5~20%高い温度など)を維持するように流量を制御してもよい。
また、二次冷媒流量制御部231は、二次冷媒タンク21内に設けられる液送ポンプ211を制御して二次冷媒R2の流量を制御してもよい。
二次冷媒流量制御弁2311は、一次冷媒R1と熱交換した後の二次冷媒R2の流量を制御するが、この際の二次冷媒R2が気体、液体、気液混合のいずれでも可能である。また、二次冷媒流量制御弁2311は、二次冷媒排出部23に配置されているが、二次冷媒導入部22に設けられていてもよい。
(1)二次冷媒R2は、その沸点が二酸化炭素の三重点よりも低い(-56.6℃以下とする)こと。二次冷媒R2は、下記(2)を満足させるようにその温度および供給制御が行われる。
(2)一次冷媒R1は、冷却する二酸化炭素の固化点よりも高いこと。
例えば、液化二酸化炭素貯蔵タンク5の運用圧における二酸化炭素の固化点より、1℃高い温度を一次冷媒R1の管理温度としてもよい。
実施形態3の冷却システム1について図3を用いて説明する。同じ符号は図1A、2の実施形態1、2と同じであるため説明を省略または簡単にする。
冷却システム1は、導入側圧力測定部53と、導入流量制御弁531、返送側圧力測定部532と、二次冷媒流量制御部231と、二次冷媒流量制御弁2311とを備える。
導入側圧力測定部53は、液化二酸化炭素貯蔵タンク5の内部圧力(気相空間の圧力=第一導入部631の入口側)を測定する。
返送側圧力測定部532は、第一返送部632内の圧力(二酸化炭素の気体、液体、気液混合、固液混合、気固混合、気液固混合などの状態)を測定する。
二次冷媒流量制御部231は、導入側圧力測定部53で測定された圧力と、返送側圧力測定部532で測定された圧力との差(差圧)を演算する。
二次冷媒流量制御部231は、演算で求められた差圧から、二酸化炭素の状態を判断し、その判断結果に応じて、二次冷媒流量制御弁2311を制御し、二次冷媒R2の流量を調整する。例えば、冷却される二酸化炭素が、冷却時や貯蔵タンク5に返送される際に固化点を下回らないように、二次冷媒R2の流量を制御し、一次冷媒R1の温度を調整する。
二次冷媒流量制御部231は、差圧が第一差圧閾値を超えた場合に、液体と固体の混合状態あるいは固化していると判断し、二次冷媒R2の流量を少なくまたは供給を停止あるいは間欠供給するように制御してもよい。
二次冷媒流量制御部231は、差圧が第二差圧閾値未満(<第一差圧閾値、かつ=略零)の場合に、出口でもガス状態のままであり冷却液化されていないと判断し、二次冷媒R2の供給を開始、またはその流量を多くするように制御してもよい。
また、二次冷媒流量制御部231は、二次冷媒タンク21内に設けられる液送ポンプ211を制御して二次冷媒R2の流量を制御してもよい。また、二次冷媒流量制御弁2311は、二次冷媒排出部23に配置されているが、二次冷媒導入部22に設けられていてもよい。
実施形態4の冷却システム1について図4を用いて説明する。同じ符号は図2の実施形態2と同じであるため説明を省略または簡単にする。
冷却システム1は、一次冷媒タンク11を通過し、一次冷媒R1と熱交換した後の二次冷媒R2を加温する加温装置140を備える。加温装置140は、二次冷媒排出部23に配置されていてもよい。二次冷媒R2は、例えば、水素、メタン、天然ガスであってもよい。
実施形態5の冷却システム1について図5を用いて説明する。同じ符号は図3の実施形態3と同じであるため説明を省略または簡単にする。
冷却システム1は、一次冷媒タンク11を通過し、一次冷媒R1と熱交換した後の二次冷媒R2を加温する圧縮装置150を備える。圧縮装置150は、二次冷媒排出部23に配置されていてもよい。二次冷媒R2は、例えば、水素、メタン、天然ガスであってもよい。
(1)実施形態2、3は別々の構成に限定されず、両方の機能要素を備えていてもよい。冷却システム1は、導入側圧力測定部53と、導入流量制御弁531と、返送側圧力測定部532と、温度測定部18と、二次冷媒流量制御部231と、二次冷媒流量制御弁2311とを備える。二次冷媒流量制御部231は、一次冷媒の温度と、差圧のいずれか一方またはその両方に基づいて二次冷媒流量制御弁2311を制御してもよい。
(2)実施形態2、3では、液化二酸化炭素貯蔵タンク5の二酸化炭素ガスを冷却する構成であったが、図1Bの構成例1と同様に、液化二酸化炭素貯蔵タンク5の内部の液送ポンプ35が、タンク内の液化二酸化炭素を冷却装置10へ送り込む構成でもよく、さらに、図1Aの構成(第一導入部631、第一熱交換通路部612、第一返送部632)と図1Bの構成(第二導入部731、第二熱交換通路部712、第二返送部732)の両方を備えていてもよい。
(3)実施形態3の別の構成例として、二次冷媒流量制御部231は、第一導入部および/または第一返送部を流れる二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の物理量(例えば、温度、熱量、圧力)から、二酸化炭素の状態(例えば、固体、液体、気体、気液混合状態、液固混合状態など)を判断し、その判断結果に応じて、二次冷媒流量制御弁2311を制御し、二次冷媒R2の流量を調整してもよい。物理量(例えば、温度、熱量、圧力)は、第一導入部および/または第一返送部のそれぞれに設けられている各測定手段(例えば、温度センサー、熱量測定手段、圧力センサーなど)の測定値から得られる。二次冷媒流量制御部231は、例えば、返送部において液体と固体の混合状態あるいは固化していると判断した場合に、二次冷媒R2の流量を少なくまたは供給を停止(あるいは間欠供給)してもよい。二次冷媒流量制御部231は、例えば、返送部において気体状態である(冷却液化されていない)と判断した場合に、二次冷媒R2の供給を開始、またはその流量を多くするように制御してもよい。
(4)実施形態4、5は別々の構成に限定されず、両方(つまり、加温装置と圧縮装置)の機能要素を備えていてもよい。上記の別の構成例にも同様に採用されてもよい。
(6)実施形態2、3、4、5においても、実施形態1の別の構成例2(図1C)の構成(一次冷媒タンク、第一熱交換器、第二熱交換器、一次冷媒通路部、循環ポンプ)を備えていてもよい。
実施形態1(図1A)の構成において、二酸化炭素ガスを1トン、液化するのに要する一次冷媒と二次冷媒の条件は以下である。冷却装置で冷却され、液化二酸化炭素貯蔵タンクへ戻る液化二酸化炭素が-40℃程度の温度となるように二次冷媒の流量を制御して一次冷媒の温度を調整する。
一次冷媒:プロパン
プロパンの温度を-41℃に制御する。プロパンは、二酸化炭素ガスとの熱交換によって蒸発し、二次冷媒によって凝縮される。
二次冷媒:下記aからcのいずれかの冷媒を使用できる。いずれも圧力1MPaA(飽和状態での絶対圧))
a:液化窒素 :1.12トン程度
b:液化メタン:0.55トン程度
c:液化水素 :0.10トン程度
実施形態1の別の構成例2(図1C)において、飽和状態での絶対圧1MPaAにおける液化二酸化炭素の蒸発を抑制するように、潜熱分に相当する冷熱で、液化二酸化炭素貯蔵タンクから導出された液化二酸化炭素を冷却(言い換えると、サブクール)する。
冷却システムで冷却された液化二酸化炭素が、熱交換通路部、返送部、さらには液化二酸化炭素貯蔵タンク内において、液化二酸化炭素が固化しないようにする。
11.8トンの液化二酸化炭素が-40℃から-54℃程度の温度範囲となるように、二次冷媒の流量を制御して一次冷媒の温度を調整する。
一次冷媒:
プロパンの温度範囲を-56℃から-42℃に制御する。
二次冷媒:下記aからcのいずれかの冷媒を使用できる。いずれも圧力1MPaA(飽和状態での絶対圧)
a:液化窒素 :1.23トン程度
b:液化メタン:0.60トン程度
c:液化水素 :0.11トン程度
実施形態2の冷却システム(図2)の温度制御において、一次冷媒としてプロパンと、二次冷媒として液化メタンとを使用する。
一次冷媒と二次冷媒との熱交換は、定常時では一次冷媒(プロパン)を-41℃で気体から液体に凝縮し、二次冷媒(液化メタン)を-124℃から-51℃に加温することで、実施される。
この場合、流体間(一次冷媒と二次冷媒の流体間)の対数平均温度差は34.5℃である。一次冷媒の温度が二酸化炭素の固化点付近の温度(例えば、―56.6℃)になった場合、流体間の対数平均温度差は40.4℃となる。この温度差は、定常時より約17%上昇する。これは即ち、その上昇分が、過剰に冷熱が冷却システムに投入されていることを意味する。この時、冷却システムによって二酸化炭素の固化を防止するために、過剰冷熱に相当する二次冷媒流量を低減させるように制御する。
5 液化二酸化炭素貯留タンク
10 冷却装置
11、11a 一次冷媒タンク
11b 第一熱交換機
11c 第二熱交換器
11d 一次冷媒通路部
11e 循環ポンプ
12 熱交換通路部
13 二次冷媒通路部
21 二次冷媒タンク
22 二次冷媒導入部
23 二次冷媒排出部
R1 一次冷媒
R2 二次冷媒
Claims (9)
- 液化二酸化炭素貯蔵タンクから送られる、二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の温度よりも低温の一次冷媒を収容する一次冷媒タンクと、当該一次冷媒によって冷却される当該二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素が移動する熱交換通路部と、当該一次冷媒を冷却するための二次冷媒が移動する二次冷媒通路部と、を有する冷却装置と、
前記一次冷媒を冷却するための二次冷媒を貯留する二次冷媒タンクと、
前記二次冷媒タンクから前記二次冷媒を前記二次冷媒通路部へ導入する二次冷媒導入部と、
前記二次冷媒通路部と接続され、前記二次冷媒を導出する二次冷媒排出部と、
を備える、
二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の冷却システム。 - 前記熱交換通路部の入口側と接続され、液化二酸化炭素貯蔵タンクから送られる、二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素を導入する導入部と、
前記熱交換通路部の出口側と接続され、冷却済み二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素が導出され、液化二酸化炭素貯蔵タンクへ返送する返送部と、を備える、
請求項1に記載の冷却システム。 - 前記一次冷媒の温度を測定する少なくとも1つの温度測定部と、
前記温度測定部で測定された一次冷媒の温度が、任意の圧力における二酸化炭素の固化点より低い温度にならないように、前記二次冷媒の流量を制御する二次冷媒流量制御部と、を備える、
請求項1または2に記載の冷却システム。 - 前記導入部および前記返送部との間の差圧から、二酸化炭素の状態を判断し、その判断結果に応じて、前記二次冷媒の流量を制御する、および/または、
前記導入部および/または前記返送部を流れる二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の物理量から、二酸化炭素の状態を判断し、その判断結果に応じて、前記二次冷媒の流量を制御する、二次冷媒流量制御部を備える、
請求項2に記載の冷却システム。 - 前記二次冷媒を加温する加温装置および/または圧縮する圧縮装置を、備える、
請求項1から4のいずれか1項に記載の冷却システム。 - 一次冷媒を、その温度よりも低温の二次冷媒によって冷却する工程(A)と、
液化二酸化炭素貯蔵タンクの内部圧力が予め設定された閾値を超えた場合に、二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素を一次冷媒で冷却させるために、液化二酸化炭素貯蔵タンクから前記一次冷媒と熱交換するための熱交換手段へ送る導入工程(B)と、
液化二酸化炭素貯蔵タンクから送られる、二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素を、その温度よりも低温の一次冷媒によって冷却する工程(C)と、
を含み、
二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の冷却方法は、
一次冷媒の温度が、任意の圧力における二酸化炭素の固化点より低い温度にならないように、前記二次冷媒の流量を制御する工程(A-1)と、
二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素が、液化二酸化炭素貯蔵タンクから前記熱交換手段へ送られる導入経路および前記熱交換手段から液化二酸化炭素貯蔵タンクへ戻る返送経路との間の差圧から、二酸化炭素の状態を判断し、その判断結果に応じて、前記二次冷媒の流量を制御する工程(A-2)と、
二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素が、液化二酸化炭素貯蔵タンクから前記熱交換手段へ送られる導入経路および/または前記熱交換手段から液化二酸化炭素貯蔵タンクへ戻る返送経路を流れる二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の物理量から、二酸化炭素の状態を判断し、当該判断結果に応じて、前記二次冷媒の流量を制御する工程(A-3)と、のうち、1つまたは2つ以上の工程をさらに含む、
二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の冷却方法。 - 液化二酸化炭素貯蔵タンクから送られる、二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の温度よりも低温の一次冷媒を収容する一次冷媒タンクと、当該一次冷媒によって冷却される当該二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素が移動する熱交換通路部と、当該一次冷媒を冷却するための二次冷媒が移動する二次冷媒通路部と、を有する冷却装置と、前記一次冷媒を冷却するための二次冷媒を貯留する二次冷媒タンクとを備える、二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の冷却方法であって、
一次冷媒を、その温度よりも低温の、前記二次冷媒タンクから送られる二次冷媒によって冷却する工程(A)と、
液化二酸化炭素貯蔵タンクの内部圧力が予め設定された閾値を超えた場合に、二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素を一次冷媒で冷却させるために、液化二酸化炭素貯蔵タンクから前記一次冷媒と熱交換するための前記熱交換通路部へ送る導入工程(B)と、
前記熱交換通路部を通過する二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素を、その温度よりも低温の、一次冷媒タンクの一次冷媒によって冷却する工程(C)と、
を含む、
二酸化炭素ガスおよび/または液化二酸化炭素の冷却方法。 - 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の冷却システムを備える、液化二酸化炭素貯蔵タンク。
- 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の冷却システムまたは請求項8に記載の液化二酸化炭素貯蔵タンクを備える、船舶。
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