JP2017155960A

JP2017155960A - 二酸化炭素の分離回収装置および分離回収方法

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Publication number: JP2017155960A
Application number: JP2016037159A
Authority: JP
Inventors: 正人藤城; Masato Fujishiro
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: JP6536433B2

Abstract

【課題】ＣＯ２の分離回収時において、副生ガスを冷却する冷凍機の負荷を最適に制御することができるＣＯ２の分離回収装置および分離回収方法を提供すること。【解決手段】ＣＯ２の分離回収装置１は、ＣＯ２を含む副生ガスを、副生ガスの自圧を併用しながら圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０によって圧縮された副生ガスを冷却する冷却器３１と、冷却器３１に設けられた冷凍機３２と、冷却器３１によって冷却された副生ガスを、断熱膨張させる超音速ノズル４０と、超音速ノズル４０の膨張部４１に設けられた、低温流体が流れる冷却管路５０と、冷却管路５０の外面に蓄積された液体状または固体状のＣＯ２を回収する回収手段と、超音速ノズル４０によって断熱膨張されて冷却された副生ガスの温度に基づいて、冷凍機３２の負荷を制御する制御器７０と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、製鉄所内で発生する副生ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）の分離回収装置および分離回収方法に関する。

従来、ＣＯ_２を含むガスからＣＯ_２を分離回収する装置が提案されている。例えば特許文献１では、ＣＯ_２を含む被処理ガスを圧縮、冷却、断熱膨張および冷却させることによりＣＯ_２を分離回収する分離回収装置が提案されている。

特開平９−１４８３１号公報

しかしながら、特許文献１に係る発明は、冷却器に設けられた冷凍機の過冷却によってＣＯ_２の分離回収に必要な動力が増大したり、あるいは冷凍機の冷却不足によってＣＯ_２を効率よく分離回収することができない場合があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＣＯ_２の分離回収時において、副生ガスを冷却する冷凍機の負荷を最適に制御することができるＣＯ_２の分離回収装置および分離回収方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るＣＯ_２の分離回収装置は、ＣＯ_２を含む副生ガスを、前記副生ガスの自圧を併用しながら圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された前記副生ガスを冷却する冷却器と、前記冷却器に設けられた冷凍機と、前記冷却器によって冷却された前記副生ガスを、断熱膨張させる超音速ノズルと、前記超音速ノズルの膨張部に設けられた、低温流体が流れる冷却管路と、前記冷却管路の外面に蓄積された液体状または固体状のＣＯ_２を回収する回収手段と、前記超音速ノズルによって断熱膨張されて冷却された前記副生ガスの温度に基づいて、前記冷凍機の負荷を制御する制御器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るＣＯ_２の分離回収装置は、上記発明において、前記冷却器は、前記冷凍機によって供給される第１低温流体と、前記第１低温流体とは異なる流体からなる第２低温流体とに熱交換させることにより前記副生ガスを冷却することを特徴とする。

また、本発明に係るＣＯ_２の分離回収装置は、上記発明において、前記副生ガスは、製鉄所内で発生するものであり、前記第１低温流体は、フロンまたはアンモニアであり、前記第２低温流体は、製鉄所内で製造される液体酸素または液体窒素であることを特徴とする。

また、本発明に係るＣＯ_２の分離回収装置は、上記発明において、前記制御器は、前記副生ガスの温度と、ＣＯ_２の相変化温度との偏差が０になるように前記冷凍機の負荷を制御することを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るＣＯ_２の分離回収方法は、ＣＯ_２を含む副生ガスを、圧縮機によって、前記副生ガスの自圧を併用しながら圧縮する圧縮ステップと、前記圧縮ステップで圧縮された前記副生ガスを、冷却器によって冷却する冷却ステップと、前記冷却ステップで冷却された前記副生ガスを、超音速ノズルによって断熱膨張させる断熱膨張ステップと、前記超音速ノズルの膨張部に設けられた、低温流体が流れる冷却管路の外面に蓄積された液体状または固体状のＣＯ_２を、回収手段によって回収する回収ステップと、前記超音速ノズルによって断熱膨張されて冷却された前記副生ガスの温度に基づいて、前記冷却器に設けられた冷凍機の負荷を、制御器によって制御する負荷制御ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、制御器によって冷凍機の負荷を最適に制御することにより、冷凍機の過冷却や冷却不足等の問題が発生しなくなるため、ＣＯ_２の分離回収に必要な動力を削減することができるとともに、ＣＯ_２を効率よく分離回収することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るＣＯ_２の分離回収装置の構成を模式的に示す図である。図２は、本発明の実施形態に係る分離回収装置を利用したＣＯ_２の分離回収方法を説明するためのフローチャートである。図３は、本発明の実施形態に係る分離回収装置を利用したＣＯ_２の分離回収方法を行う際の、冷凍機の負荷制御ステップを説明するためのフローチャートである。図４は、副生ガスの温度とＣＯ_２の相変化温度との関係を示すグラフである。図５は、図４に示した副生ガスの温度に基づいて制御された冷凍機の回転数を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係るＣＯ_２の分離回収装置および分離回収方法について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、以下の実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

［分離回収装置］
以下、本実施形態に係るＣＯ_２の分離回収装置について、図１を参照しながら説明する。分離回収装置は、ＣＯ_２を含む副生ガスから、ＣＯ_２を分離回収するものである。分離回収装置１は、図１に示すように、副生ガス発生源１０と、圧縮機２０と、冷却器３１と、冷凍機３２と、低温流体貯蔵タンク３３と、超音速ノズル４０と、回収手段と、温度検出器６０と、制御器７０と、を備えている。なお、分離回収装置１は、主に製鉄所内で用いられるものであり、製鉄所内で発生する副生ガスや、製鉄所内で製造される低温流体等を利用してＣＯ_２の分離回収を行う。

副生ガス発生源１０は、例えば製鉄所内に設けられた高炉等であり、ＣＯ_２を含む副生ガス（高炉ガス、ＢＦＧ）を発生させる。なお、この副生ガス発生源１０で発生する副生ガスは、例えば２００ｋＰａ程度の自圧を有している。

圧縮機２０は、副生ガス発生源１０で発生した副生ガスを圧縮するものである。圧縮機２０は、具体的には副生ガス発生源１０から送られてきたＣＯ_２を含む副生ガスを、当該副生ガスの自圧を併用しながら、例えば３気圧〜６気圧程度まで断熱圧縮する。そのため、本実施形態では、従来（特許文献１）のように、自圧を有しないガスを圧縮する場合と比較して、圧縮機２０が圧縮する昇圧量が相対的に小さくなる。

冷却器３１は、圧縮機２０によって圧縮された副生ガスを冷却するものである。冷却器３１は、具体的には、圧縮機２０から送られてきたＣＯ_２を含む副生ガスを、冷凍機３２から供給される第１低温流体と、低温流体貯蔵タンク３３から供給される第２低温流体とに、それぞれ熱交換させることにより、例えば−５０℃〜−７０℃程度まで冷却する。なお、冷却器３１としては、具体的には二重管熱交換器や多管円筒式熱交換器（シェル・アンド・チューブ熱交換器）を用いることができる。

冷凍機３２から供給される第１低温流体は、例えばフロンまたはアンモニアである。また、低温流体貯蔵タンク３３から供給される第２低温流体は、第１低温流体とは異なる流体であり、例えば液体酸素または液体窒素である。

低温流体貯蔵タンク３３は、製鉄所内に設けられている設備であり、製鉄所内で製造される液体酸素または液体窒素を貯蔵するためのものである。低温流体貯蔵タンク３３から冷却器３１に供給された第２低温流体は、図１に示すように、副生ガスと熱交換を行った後、大気へ放出、または製鉄所内の製鉄プロセスで使用される。

このように、冷却器３１は、冷凍機３２から供給される第１低温流体に加えて、製鉄所内で貯蔵されている液体酸素または液体窒素等の第２低温流体の冷排熱を利用して副生ガスの冷却を行う。そのため、本実施形態では、従来（特許文献１）のように、製鉄所内で貯蔵されている低温流体を利用せずにガスを冷却する場合と比較して、冷却器３１が冷却する冷却量が相対的に小さくなる。

超音速ノズル４０は、冷却器３１によって冷却された副生ガスを、断熱膨張させるものである。超音速ノズル４０は、亜音速の気体の流れ（音速以下の流れ）を超音速（音速以上の流れ）に加速するノズルである。超音速ノズル４０は、図１に示すように、管の途中にスロートをもつ中細ノズルであり、内部を流れる気体の高速化に伴い、気体の温度を低下させる作用を有する。

また、超音速ノズル４０の膨張部４１には、図１に示すように、低温流体（第３低温流体）が流れる冷却管路５０が設けられている。この冷却管路５０の低温流体入口５１からは、例えば−１５０℃〜−１９０℃の低温流体（例えばフロンまたはアンモニア）が供給される。そして、冷却管路５０内を流れた低温流体は、超音速ノズル４０によって断熱膨張した副生ガスと熱交換した後、低温流体出口５２から排出される。

このような超音速ノズル４０に副生ガスを導入すると、断熱膨張した副生ガスが冷却管路５０を流れる−１５０℃〜−１９０℃の低温流体と熱交換して超低温になる。その結果、図１の符号Ａに示すように、冷却管路５０の外面に液体状または固体状のＣＯ_２が蓄積（付着）し、副生ガスからＣＯ_２が分離されることになる。なお、ＣＯ_２は、超音速ノズル４０内における副生ガスの圧力に応じて、液体状または固体状のいずれかの状態で冷却管路５０の外面に蓄積する。

回収手段は、冷却管路５０の外面に蓄積された液体状または固体状のＣＯ_２を回収するものである。回収手段としては、例えばかき取り型のスクレーパ等を用いることができる。

温度検出器６０は、超音速ノズル４０内の副生ガスの温度を検出するものである。温度検出器６０は、具体的には、超音速ノズル４０によって膨張されて冷却された副生ガスの温度を検出し、制御器７０に出力する。また、温度検出器６０は、図１に示すように、超音速ノズル４０における膨張部４１の終端近傍であって、超音速ノズル４０の直径が一定となる部分に設置される。なお、温度検出器６０の個数は特に限定されず、必要に応じて超音速ノズル４０に複数設置しても構わない。

制御器７０は、温度検出器６０によって検出された副生ガスの温度に基づいて、冷凍機３２の負荷を制御するものである。なお、制御器７０による具体的な制御内容は後記する（図３〜図５参照）。

［分離回収方法］
以下、分離回収装置１を利用したＣＯ_２の分離回収方法について、図２を参照しながら説明する。ＣＯ_２の分離回収方法は、圧縮ステップと、冷却ステップと、断熱膨張ステップと、回収ステップと、を行う。

圧縮ステップでは、ＣＯ_２を含む副生ガスを、圧縮機２０によって、副生ガスの自圧を併用しながら圧縮する（ステップＳ１）。続いて、冷却ステップでは、圧縮ステップで圧縮された副生ガスを、冷却器３１によって、第１低温流体と、第２低温流体とを熱交換させることにより冷却する（ステップＳ２）。

続いて、断熱膨張ステップでは、冷却ステップで冷却された副生ガスを、超音速ノズル４０によって断熱膨張させるとともに、冷却管路５０に供給した第３低温流体によって冷却する（ステップＳ３）。続いて、回収ステップでは、超音速ノズル４０の冷却管路５０の外面に蓄積された液体状または固体状のＣＯ_２を、スクレーパ等の回収手段によって回収する（ステップＳ４）。

［負荷制御ステップ］
ここで、分離回収装置１では、前記した分離回収方法の各ステップ（図２参照）と平行して、冷凍機３２の負荷を制御する負荷制御（負荷制御ステップ）を行う。なお、分離回収装置１は、この負荷制御ステップを、所定の制御周期で繰り返し実行する。

負荷制御ステップでは、図３に示すように、まず温度検出器６０によって、超音速ノズル４０によって膨張されて冷却された副生ガスの温度を検出する（ステップＳ１１）。続いて、制御器７０によって、図４に示すように、ＣＯ_２の相変化温度Ｔｅ［℃］（例えば−７８．５℃）と、温度検出器６０によって検出された副生ガスの温度Ｔｂ［℃］との偏差を算出する（ステップＳ１２）。

続いて、制御器７０によって、図５に示すように、ステップＳ１２で算出されたＣＯ_２の相変化温度Ｔｅ［℃］と副生ガスの温度Ｔｂ［℃］との偏差が０となるような冷凍機３２の必要回転数を算出する（ステップＳ１３）。そして最後に、制御器７０によって、ステップＳ１３で算出された必要回転数に基づいて、冷凍機３２の負荷を制御する（ステップＳ１４）。

以上のような構成を備えるＣＯ_２の分離回収装置１およびそれを利用した分離回収方法によれば、圧縮機２０を利用した圧縮ステップにおいて、副生ガスの自圧を併用しながら圧縮することにより、副生ガスの圧縮に必要な昇圧量を減らすことができる。また、冷却器３１を利用した冷却ステップにおいて、製鉄所内で貯蔵されている液体酸素または液体窒素等の低温流体の冷排熱を利用して副生ガスの冷却を行うことにより、副生ガスの冷却に必要な冷却量を減らすことができる。従って、ＣＯ_２の分離回収時におけるエネルギーを削減することができる。

さらに、ＣＯ_２の分離回収装置１およびそれを利用した分離回収方法によれば、制御器７０によって冷凍機３２の負荷を最適に制御することにより、冷凍機３２の過冷却や冷却不足等の問題が発生しなくなるため、ＣＯ_２の分離回収に必要な動力を削減することができるとともに、ＣＯ_２を効率よく分離回収することができる。

以上、本発明に係るＣＯ_２の分離回収装置および分離回収方法について、発明を実施するための形態により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。

例えば、前記した分離回収装置１が行う負荷制御ステップでは、図３に示すように、副生ガスの温度Ｔｂ［℃］と、ＣＯ_２の相変化温度Ｔｅ［℃］との偏差が０になるような冷凍機３２の必要回転数を算出し、その必要回転数に基づいて冷凍機３２の負荷を制御していたが、ＣＯ_２の相変化温度は、例えば気圧等の周囲の環境によって変化する場合がある。従って、このような点を考慮して、分離回収装置１は、負荷制御ステップにおいて、副生ガスの温度Ｔｂ［℃］と、ＣＯ_２の相変化温度Ｔｅ［℃］から所定の余裕値α［℃］を差し引いた温度Ｔｅ−αとの偏差が０になるような冷凍機３２の必要回転数を算出し、その必要回転数に基づいて冷凍機３２の負荷を制御しても構わない。なお、余裕値αは、例えば１０℃に設定することができ、この場合の「Ｔｅ−α」は、ＣＯ_２の相変化温度より１０℃低い温度となる。

また、前記した分離回収装置１が行う負荷制御ステップでは、図３に示すように、冷凍機３２の回転数制御によって負荷制御を行っていたが、例えば冷凍機３２の電流制御、または冷凍機３２の冷却流体の流量制御によって負荷制御を行っても構わない。この場合、分離回収装置１は、負荷制御ステップのステップＳ１３において、副生ガスの温度Ｔｂ［℃］と、ＣＯ_２の相変化温度Ｔｅ［℃］との偏差が０になるような冷凍機３２の電流値、または冷却流体の流量を算出する。

１分離回収装置
１０副生ガス発生源
２０圧縮機
３１冷却器
３２冷凍機
３３低温流体貯蔵タンク
４０超音速ノズル
４１膨張部
５０冷却管路
５１低温流体入口
５２低温流体出口
６０温度検出器
７０制御器

Claims

ＣＯ_２を含む副生ガスを、前記副生ガスの自圧を併用しながら圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された前記副生ガスを冷却する冷却器と、
前記冷却器に設けられた冷凍機と、
前記冷却器によって冷却された前記副生ガスを、断熱膨張させる超音速ノズルと、
前記超音速ノズルの膨張部に設けられた、低温流体が流れる冷却管路と、
前記冷却管路の外面に蓄積された液体状または固体状のＣＯ_２を回収する回収手段と、
前記超音速ノズルによって断熱膨張されて冷却された前記副生ガスの温度に基づいて、前記冷凍機の負荷を制御する制御器と、
を備えることを特徴とする二酸化炭素の分離回収装置。
前記冷却器は、前記冷凍機によって供給される第１低温流体と、前記第１低温流体とは異なる流体からなる第２低温流体とに熱交換させることにより前記副生ガスを冷却することを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素の分離回収装置。
前記副生ガスは、製鉄所内で発生するものであり、
前記第１低温流体は、フロンまたはアンモニアであり、
前記第２低温流体は、製鉄所内で製造される液体酸素または液体窒素であることを特徴とする請求項２に記載の二酸化炭素の分離回収装置。
前記制御器は、前記副生ガスの温度と、ＣＯ_２の相変化温度との偏差が０になるように前記冷凍機の負荷を制御することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の二酸化炭素の分離回収装置。
ＣＯ_２を含む副生ガスを、圧縮機によって、前記副生ガスの自圧を併用しながら圧縮する圧縮ステップと、
前記圧縮ステップで圧縮された前記副生ガスを、冷却器によって冷却する冷却ステップと、
前記冷却ステップで冷却された前記副生ガスを、超音速ノズルによって断熱膨張させる断熱膨張ステップと、
前記超音速ノズルの膨張部に設けられた、低温流体が流れる冷却管路の外面に蓄積された液体状または固体状のＣＯ_２を、回収手段によって回収する回収ステップと、
前記超音速ノズルによって断熱膨張されて冷却された前記副生ガスの温度に基づいて、前記冷却器に設けられた冷凍機の負荷を、制御器によって制御する負荷制御ステップと、
を含むことを特徴とする二酸化炭素の分離回収方法。