WO2014128959A1 - 二酸化炭素液化装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a carbon dioxide liquefying apparatus for liquefying carbon dioxide.
  • Patent Document 1 describes a technique for liquefying and separating by increasing the concentration of carbon dioxide contained in exhaust gas using an oxyfuel boiler system in a coal-fired power plant or the like.
  • Patent Document 2 the carbon dioxide contained in the exhaust gas from the coal-fired power plant is used to generate electricity using the molten carbonate fuel cell, and the carbon dioxide concentrating action in the molten carbonate fuel cell is used for the emission.
  • a system for concentrating and recovering carbon dioxide contained in a gas is described.
  • Patent Document 2 describes a chemical absorption method, a physical adsorption method, a membrane separation method, and a cryogenic separation method as methods for separating carbon dioxide from exhaust gas.
  • the chemical absorption method, physical adsorption method, and membrane separation method require expensive absorbents, adsorbents, and polymer membranes in order to separate carbon dioxide.
  • the exhaust gas to be processed is limited due to restrictions on the enlargement of the system.
  • carbon dioxide is recovered as a gas.
  • the carbon dioxide recovered with this gas is brought into a high pressure state when transported or stored.
  • the recovered low-pressure gaseous carbon dioxide is pressurized in the gaseous state, or the gaseous carbon dioxide is liquefied during the pressure-boosting and then the carbon dioxide is boosted by a pump.
  • the energy boosted with liquid is generally much smaller than the energy boosted with gas, it is possible to reduce energy by boosting liquefied carbon dioxide with a pump.
  • Patent Document 2 proposes a technique for reducing energy related to liquefaction of gaseous carbon dioxide by providing an absorption refrigerator that is driven by using exhaust heat of exhaust gas from a fuel cell.
  • Patent Document 3 discloses that coal gasification gas is cooled by using liquid oxygen and liquid nitrogen generated by a cryogenic separation device for generating gaseous oxygen used for combustion in a gasification furnace. A technique for liquefying carbon dioxide in a liquefied gas is described.
  • a carbon dioxide liquefaction plant that includes a device for separating a synthesis gas stream containing carbon dioxide and hydrogen into a hydrogen vapor stream and a liquid carbon dioxide stream.
  • a carbon dioxide liquefaction plant further reduction in energy consumption is desired. Therefore, Patent Document 4 discloses that a high pressure hydrogen vapor flow is expanded by an expander in a system that cools the pressure-increased synthesis gas with a heat exchanger and separates the high pressure hydrogen vapor flow into liquid carbon dioxide. And a technique for exchanging heat with a synthesis gas stream from a hydrogen vapor stream whose temperature has been lowered by expansion.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a carbon dioxide liquefying apparatus capable of reducing the power.
  • a first aspect of the carbon dioxide liquefaction apparatus is separated and recovered from a gas containing carbon dioxide by exchanging heat as a refrigerant for a part of a gaseous cold heat source used and manufactured in a cold heat source generation plant.
  • a carbon dioxide liquefying unit that liquefies the carbon dioxide; and an energy recovery unit that lowers the temperature of the gaseous refrigerant at the same time as taking out energy by expanding the gas refrigerant heat-exchanged with carbon dioxide in the carbon dioxide liquefying unit.
  • the energy recovery unit returns the gas refrigerant whose temperature has been lowered to the cold heat source generation plant.
  • the energy recovery unit of the first aspect reduces the temperature of the gaseous refrigerant to a temperature necessary for use in the cold heat source generation plant. Also good.
  • the cold heat source generation plant according to the first or second aspect may include an air cryogenic separation unit capable of separating the raw air into at least oxygen and nitrogen. Good.
  • the air cryogenic separation unit according to the third aspect further includes a heat exchange unit that performs heat exchange using the gaseous refrigerant whose temperature has been lowered by the energy recovery unit. You may have.
  • the carbon dioxide liquefaction apparatus described in the fourth aspect includes a plurality of combinations of the energy recovery unit and the heat exchange unit connected in series. Also good.
  • FIG. 1 shows a carbon dioxide liquefying apparatus of this embodiment.
  • the carbon dioxide liquefying apparatus 1 in this embodiment is provided in a plant such as a power plant or a gasification plant including a coal gasification furnace, for example.
  • a large amount of carbon dioxide (CO2 gas) is contained in the generated gas or exhaust gas of these plants.
  • the plant of this embodiment has the equipment which isolate
  • the carbon dioxide liquefaction apparatus 1 is a carbon dioxide liquefaction unit that liquefies carbon dioxide by exchanging heat as part of a gaseous cold heat source used and manufactured in the cold heat source generation plant P. 2 is provided.
  • Carbon dioxide supplied to the carbon dioxide liquefying unit 2 is supplied from a carbon dioxide separation and recovery device (not shown).
  • the carbon dioxide separation and recovery device separates and recovers carbon dioxide from a mixed gas containing carbon dioxide.
  • the carbon dioxide liquefying apparatus 1 of this embodiment the low-pressure gaseous carbon dioxide recovered by the carbon dioxide separation and recovery apparatus is pressurized to a carbon dioxide liquefying pressure by a gas compressor (not shown), and then carbon dioxide is converted into the above-mentioned carbon dioxide. After liquefying by the carbon liquefaction unit 2, the liquefied carbon dioxide is pressurized to a high pressure state by a booster pump (not shown).
  • the pressure of carbon dioxide can be increased with less power than the pressure increased by the gas compressor to the high pressure state.
  • the gas compressor may be omitted if the pressure of carbon dioxide recovered by the carbon dioxide separation and recovery device is equal to or higher than the liquefaction pressure of carbon dioxide.
  • the cold heat source generation plant P includes an air deep cold separation unit 3.
  • the air cryogenic separation unit 3 cryogenically separates oxygen from the raw material air that is the raw material gas.
  • the oxygen that has been cryogenically separated by the air cryogenic separation unit 3 is used for cooling and liquefying the raw material air, and then sent to an oxygen gas compressor (not shown) or the like, for example, to a gasification furnace or a boiler. Supplied.
  • the air cryogenic separation unit 3 supplies the low temperature gaseous nitrogen separated by cryogenic separation used for cooling the raw material air to the carbon dioxide liquefaction unit 2.
  • the carbon dioxide liquefying unit 2 exchanges heat between gaseous nitrogen supplied from the air cryogenic separation unit 3 and gaseous carbon dioxide collected by the carbon dioxide separation and recovery device.
  • the carbon dioxide liquefying apparatus 1 further includes a nitrogen gas expander 4.
  • the nitrogen gas expander 4 expands gaseous nitrogen that has exchanged heat with carbon dioxide in the carbon dioxide liquefying unit 2. And the nitrogen gas expander 4 collect
  • the nitrogen gas expander 4 rapidly expands the gaseous nitrogen used in the carbon dioxide liquefying unit 2 as a cold heat source, and lowers the temperature of the gaseous nitrogen to near the temperature before heat exchange is performed by the carbon dioxide liquefying unit 2. .
  • the gaseous nitrogen whose temperature has been lowered by the nitrogen gas expander 4 is returned to the air cryogenic separation unit 3. This gaseous nitrogen is used as a cold heat source for cooling the raw material air in the process of deep-separating the raw material air in the air cryogenic separation unit 3.
  • the air cryogenic separation unit 3 includes a heat exchanger 11.
  • the heat exchanger 11 performs heat exchange using nitrogen, oxygen, air expanded by an air expander or the like separated inside the air cryogenic separation unit 3 as a cold heat source to liquefy the raw material air.
  • the air cryogenic separation unit 3 separates the raw material air cooled by the heat exchanger 11 into liquid oxygen, liquid nitrogen, gaseous nitrogen, gaseous oxygen, and the like.
  • Oxygen is appropriately supplied to, for example, the heat exchanger 11, the above-described coal gasification furnace, a boiler, and the like.
  • the gaseous nitrogen is supplied to the carbon dioxide liquefying unit 2 via the heat exchanger 11.
  • the carbon dioxide liquefying unit 2 includes a carbon dioxide condenser 15 for cooling and liquefying gaseous carbon dioxide.
  • the carbon dioxide condenser 15 is supplied with gaseous nitrogen as a cold heat source from the air cryogenic separation unit 3.
  • the temperature of gaseous nitrogen supplied to the carbon dioxide condenser 15 is, for example, higher than the temperature at which carbon dioxide does not solidify and lower than the liquefaction temperature of carbon dioxide.
  • the liquid carbon dioxide liquefied by heat exchange with liquid nitrogen in the carbon dioxide condenser 15 is supplied to a boosting system such as the above-described booster pump (not shown).
  • the pressurization system (not shown) downstream of the carbon dioxide liquefying unit 2 adjusts the temperature of the liquid carbon dioxide so that the downstream process (not shown) requires it, and the carbon dioxide is supplied to the downstream process. Send out.
  • the gaseous nitrogen that has undergone heat exchange with the raw material air by the heat exchanger 11 is released into the atmosphere through a further heat exchange step in the air cryogenic separation process or used in other processes.
  • the gaseous nitrogen obtained by the air cryogenic separation unit 3 can be used as a gaseous refrigerant (cold heat source) for cooling the raw air. Furthermore, when the nitrogen gas expander 4 expands the gaseous nitrogen after heat exchange with the carbon dioxide by the carbon dioxide liquefying unit 2, energy can be recovered and the temperature of the gaseous nitrogen can be lowered by the expansion. Furthermore, if the temperature of the gaseous nitrogen at the outlet of the nitrogen gas expander 4 is necessary in the air cryogenic separation unit 3, the temperature can be lowered to the temperature before the heat exchange with the carbon dioxide by the nitrogen gas expander 4.
  • the gaseous nitrogen can be converted into various materials such as a raw material gas in the same manner as a general air cryogenic separation unit that does not exchange heat with carbon dioxide. Can be used for cooling.
  • the power required for liquefying carbon dioxide is low compared with the case where a cold heat source used for cooling and liquefying carbon dioxide is produced by a dedicated refrigeration system such as a propane refrigeration system.
  • the present invention is not limited to the above configuration, and for example, it may be used as power for a compressor or a pump (not shown) in the air separation device.
  • the present invention is not limited to the above configuration, and for example, separated oxygen may be used as a cold heat source for cooling carbon dioxide.
  • separated oxygen may be used as a cold heat source for cooling carbon dioxide.
  • liquid oxygen is first vaporized, and then the vaporized gaseous oxygen is converted into carbon dioxide by a carbon dioxide condenser 15 in the same manner as in the case of using liquid nitrogen as a cold heat source. Heat exchange.
  • gaseous oxygen after heat exchange with carbon dioxide is expanded by an oxygen gas expander (corresponding to the nitrogen gas expander 4), and then the expanded gaseous oxygen is heat exchanged with the raw material air by the heat exchanger 11.
  • an oxygen gas expander corresponding to the nitrogen gas expander 4
  • gaseous oxygen whose temperature has been raised by heat exchange with the raw material air is supplied to a gasification furnace or the like.
  • the high temperature gas discharged from the compressor 10 and gas compressor (not shown) which compress raw material air is heated as a heating source.
  • nitrogen and oxygen are separately used as the cold heat source
  • a mixed air obtained by mixing oxygen and nitrogen produced in the air cryogenic separation unit 3 may be used as a cold heat source, or this mixed air may be used in appropriate combination with the nitrogen and oxygen.
  • the mixed air after heat exchange with carbon dioxide is expanded by a gas expander for mixed air (corresponding to the nitrogen gas expander 4). And what is necessary is just to send in the heat exchanger 11 and heat-exchange the mixed air by which temperature fall was performed simultaneously with energy recovery.
  • the gaseous nitrogen generated by the air cryogenic separation unit 3 is supplied to the carbon dioxide liquefaction unit 2 via the heat exchanger 11 .
  • the carbon dioxide liquefying unit 2 may be supplied without going through the vessel 11.
  • the number of stages of the nitrogen gas expander 4 may be set to a plurality of stages according to the pressure of the gaseous nitrogen vaporized by the evaporator 14. More specifically, a plurality of combinations of the nitrogen gas expander 4 and the carbon dioxide condenser 15 may be connected in series. In this case, the gaseous nitrogen expanded by the most upstream first stage nitrogen gas expander 4 is again heat exchanged with carbon dioxide by the carbon dioxide condenser 15 and then expanded again by the second stage nitrogen gas expander 4.
  • the gaseous nitrogen expanded by the second stage nitrogen gas expander 4 is supplied to the heat exchanger 11.
  • the nitrogen gas expander 4 is provided in three or more stages, the above process is repeated. The same applies to the case where the above-described oxygen or mixed gas is used as the cold heat source.
  • Heat exchange may be performed with high-temperature carbon dioxide or high-temperature raw material air discharged from a compressor (not shown).
  • the cold heat source generation plant P includes the air cryogenic separation unit 3 that generates the cold heat source.
  • the present invention is not limited to this.
  • the cold heat source may be generated by a method other than air separation.
  • the carbon dioxide liquefying apparatus 1 provided in a plant such as a power plant that performs combined power generation including an oxygen-blown coal gasification furnace has been described as an example, but the present invention is not limited thereto.
  • the carbon dioxide liquefying apparatus of the present invention can be applied to any plant that includes the cold heat source generation plant P and discharges carbon dioxide.
  • the carbon dioxide liquefying apparatus 1 used in the middle of the process of generating high-pressure carbon dioxide has been described as an example.
  • the carbon dioxide liquefying apparatus of the present invention is not limited to one that generates liquid carbon dioxide in the process of bringing carbon dioxide into a high pressure state.
  • the present invention can also be applied to a carbon dioxide liquefaction apparatus for the final purpose of producing liquid carbon dioxide.
  • the present invention is applicable to a carbon dioxide liquefaction apparatus including a carbon dioxide liquefaction unit that liquefies carbon dioxide by exchanging heat between the gaseous refrigerant sent from the cold heat source generation unit and carbon dioxide.

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Abstract

　冷熱源生成プラントで使用および製造される気体状態の冷熱源の一部を冷媒として熱交換させることで、二酸化炭素を含むガスから分離回収された二酸化炭素を液化させる二酸化炭素液化部と、前記二酸化炭素液化部で二酸化炭素と熱交換した気体冷媒を膨張させることでエネルギーを取り出すと同時に、前記気体冷媒を温度低下させるエネルギー回収部と、を備え、前記エネルギー回収部は、温度低下された前記気体冷媒を前記冷熱源生成プラントに戻す。

Description

二酸化炭素液化装置
　本発明は、二酸化炭素を液化する二酸化炭素液化装置に関する。
　近年、地球温暖化などを防止するために、火力発電所などの排出ガスに含まれる二酸化炭素を除去する様々な技術がある。
　例えば、特許文献１には、石炭火力発電所等において、酸素燃焼ボイラシステムを用いて排出ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を高めて液化分離する技術が記載されている。
　特許文献２には、石炭火力発電所の排出ガスに含まれる二酸化炭素を用いて溶融炭酸塩形燃料電池で発電を行いつつ、溶融炭酸塩形燃料電池における二酸化炭素濃縮作用を利用して、排出ガスに含まれる二酸化炭素を濃縮して回収するシステムが記載されている。また、特許文献２には、排出ガスから二酸化炭素を分離する方法として、化学吸収法、物理吸着法、膜分離法、および、深冷分離法が記載されている。そのうち、化学吸収法、物理吸着法、膜分離法については、二酸化炭素を分離するために、高価な吸収剤、吸着剤、高分子膜が必要となる。また、化学吸収法、物理吸着法、膜分離法の場合、システムの大型化に対する制約のため、処理される排出ガスが制限される。
　上述した化学吸収法、物理吸着法、膜分離法については、二酸化炭素を気体で回収している。この気体で回収された二酸化炭素は、輸送や貯留をする際、高圧状態にされる。この高圧状態の二酸化炭素を得る手法としては、回収された低圧の気体二酸化炭素を気体の状態で昇圧するものや、気体二酸化炭素を昇圧途中で液化して、その後ポンプで二酸化炭素を昇圧するものがある。液体で昇圧するエネルギーは、気体で昇圧するエネルギーよりも一般には非常に小さいので、液化二酸化炭素をポンプで昇圧することでエネルギーを低減することが可能となる。
　しかしながら、上述した気体二酸化炭素を液化する際に、気体二酸化炭素を冷却するための大きなエネルギーが必要となってしまうため、この気体二酸化炭素の液化に係るエネルギーを低エネルギー化することが望まれている。
　そこで、上記特許文献２には、燃料電池の排出ガスの排熱を用いて駆動する吸収冷凍機を設けて気体二酸化炭素の液化に係るエネルギーの低減を図る技術が提案されている。
　一方で、石炭ガス化ガス内の二酸化炭素を除去する二酸化炭素回収装置として、化学吸収法を用いたものがある。しかし、化学吸収法でも大きな二酸化炭素回収動力が必要となりシステム全体の効率向上が難しい状況となっていた。そこで、特許文献３には、ガス化炉の燃焼に用いられる気体酸素を生成するための深冷分離装置によって生成された液体酸素および液体窒素を用いて、石炭ガス化ガスを冷却して石炭ガス化ガス内の二酸化炭素を液化する技術が記載されている。
　また、二酸化炭素の液化プラントにおいて、二酸化炭素と水素とを含む合成ガス流を水素蒸気流および液体二酸化炭素流に分離する装置を備えたものが知られている。このような二酸化炭素の液化プラントにおいては、更なる消費エネルギーの低減が要望されている。そこで特許文献４には、圧力増加された合成ガスを熱交換器で冷却して、高圧の水素蒸気流と液体二酸化炭素とに気液分離するシステムにおいて、高圧の水素蒸気流を膨張機によって膨張させて圧縮機等の動力を得ると共に、膨張により温度が低下された水素蒸気流を合成ガス流と熱交換させる技術が記載されている。
特開２００９－２７０７５３号公報 特開２０１１－１４１９６７号公報 特開２０１０－１８４９９４号公報 特表２０１１－５２９４３４号公報
　ところで、酸素吹きガス化炉やボイラーを備えるプラントのうち、二酸化炭素を分離回収した後に気体の二酸化炭素を圧縮して高圧の二酸化炭素を得るプラントにあっては、ガスコンプレッサーを用いて二酸化炭素を圧縮している。二酸化炭素を気体の状態で圧縮するため、大きな圧縮動力が必要となる。
　一方で、二酸化炭素を液化するために必要な冷熱源がある場合には、回収された気体の二酸化炭素を液化圧力まで圧縮後、その冷熱源を用いて冷却液化し、液化された二酸化炭素をポンプによって要求圧力まで低動力にて圧縮することができる。そのため、上記ガスコンプレッサーを用いる場合よりも低動力化を図ることが可能である。
　しかしながら、一般的な冷却水では、回収された二酸化炭素を液化する冷熱源としては温度が高く利用できない。そのため、ポンプで液体二酸化炭素を昇圧する場合には、低温の冷熱源を得るために冷熱源プラントを新たに用意するか、既存の冷熱源プラントを利用する必要がある。しかし、新たに冷熱源プラントを用意し冷熱源を製造する場合は、大きな製造エネルギーが必要なため、低動力化が難しい。既存の冷熱源プラントを利用する場合も、一般的には二酸化炭素の冷却に必要な冷熱源を新たに製造することになるため、その大きなエネルギーが必要となり低動力化は難しい。さらに、既存の冷熱プラントで廃棄していた冷熱源を二酸化炭素の液化の冷熱源として利用できる場合においても、近年、更なる省エネルギー化が要望されている。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低動力化を図ることが可能な二酸化炭素液化装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る二酸化炭素液化装置の第一態様は、冷熱源生成プラントで使用および製造される気体状態の冷熱源の一部を冷媒として熱交換させることで、二酸化炭素を含むガスから分離回収された二酸化炭素を液化させる二酸化炭素液化部と、前記二酸化炭素液化部で二酸化炭素と熱交換した気体冷媒を膨張させることでエネルギーを取り出すと同時に、前記気体冷媒を温度低下させるエネルギー回収部と、を備え、前記エネルギー回収部は、温度低下された前記気体冷媒を前記冷熱源生成プラントに戻す。
　本発明に係る二酸化炭素液化装置の第二態様では、上記第一態様の前記エネルギー回収部が、前記冷熱源生成プラントで使用するために必要な温度まで前記気体冷媒の温度を低下させるようにしてもよい。
　本発明に係る二酸化炭素液化装置の第三態様では、上記第一又は第二態様の前記冷熱源生成プラントが、原料空気を少なくとも酸素および窒素に分離可能な空気深冷分離ユニットを備えていてもよい。
　本発明に係る二酸化炭素液化装置の第四態様では、上記第三態様の前記空気深冷分離ユニットが、前記エネルギー回収部によって温度低下された前記気体冷媒を用いて熱交換を行う熱交換部を備えていてもよい。
　本発明に係る二酸化炭素液化装置の第五態様では、上記第四態様に記載した二酸化炭素液化装置において、前記エネルギー回収部と前記熱交換部との組み合わせを複数組直列に接続して備えていてもよい。
　本発明の上記態様に係る二酸化炭素液化装置によれば、低動力化を図ることができる。
本発明の一実施形態における二酸化炭素液化装置の概略構成を示す図である。 同実施形態における二酸化炭素液化装置の構成を示す図である。
　以下、この発明の一実施形態に係る二酸化炭素液化装置について説明する。
　図１は、この実施形態の二酸化炭素液化装置を示している。
　この実施形態における二酸化炭素液化装置１は、例えば、石炭ガス化炉などを備える発電プラントやガス化プラント等のプラントに設けられる。これらプラントの生成ガスまたは排出ガスには、多量の二酸化炭素（ＣＯ２ガス）が含まれる。この実施形態のプラントは、生成ガスまたは排出ガスに含まれる二酸化炭素を分離して高圧状態に変化させる設備を有している。
　図１に示すように、二酸化炭素液化装置１は、冷熱源生成プラントＰで使用および製造される気体状態の冷熱源の一部を冷媒として熱交換させることで二酸化炭素を液化する二酸化炭素液化部２を備えている。上記二酸化炭素液化部２に供給される二酸化炭素は、二酸化炭素分離回収装置（図示せず）から供給される。二酸化炭素分離回収装置は、例えば、二酸化炭素が含まれている混合気体から二酸化炭素を分離回収する。
　ここで、上述した高圧状態の二酸化炭素を得るためには、二酸化炭素分離回収装置で回収された低圧の二酸化炭素を高圧状態まで圧縮する必要がある。しかし、気体状態の二酸化炭素をコンプレッサーにより圧縮して高圧状態にしようとした場合、大きな動力が必要となる。そのため、この実施形態の二酸化炭素液化装置１においては、二酸化炭素分離回収装置で回収された低圧の気体二酸化炭素を二酸化炭素液化圧までガスコンプレッサー（図示せず）で昇圧後、二酸化炭素を上記二酸化炭素液化部２により液化してから、この液化された二酸化炭素を昇圧ポンプ（図示せず）によって高圧状態まで昇圧している。これにより、高圧状態までガスコンプレッサーで昇圧するより少ない動力で二酸化炭素の圧力を上昇させることが可能となる。なお、二酸化炭素分離回収装置で回収された二酸化炭素の圧が、二酸化炭素の液化圧以上であれば、上記ガスコンプレッサーは、省略しても良い。
　冷熱源生成プラントＰは、空気深冷分離ユニット３を備えている。空気深冷分離ユニット３は、原料気体である原料空気から酸素を深冷分離する。空気深冷分離ユニット３によって深冷分離された酸素は、原料空気の冷却液化などに利用された後、例えば、酸素ガスコンプレッサー（図示せず）などに送られて、ガス化炉やボイラーなどに供給される。
　空気深冷分離ユニット３は、原料空気の冷却に利用される深冷分離された低温の気体窒素を二酸化炭素液化部２に供給する。二酸化炭素液化部２は、空気深冷分離ユニット３から供給される気体窒素と二酸化炭素分離回収装置で回収された気体二酸化炭素とを熱交換する。
　二酸化炭素液化装置１は、さらに窒素ガスエキスパンダー４を備えている。この窒素ガスエキスパンダー４は、二酸化炭素液化部２で二酸化炭素と熱交換した気体窒素を膨張させる。そして、窒素ガスエキスパンダー４は、気体窒素を膨張させる際にエネルギーを回収する。このエネルギーは、例えば、上述した分離装置と、二酸化炭素液化部２との間に設けられる気体二酸化炭素の圧縮用コンプレッサー（図示せず）を作動させる動力等として利用される。
　ここで、窒素ガスエキスパンダー４は、冷熱源として二酸化炭素液化部２で利用された気体窒素を急膨張させ、二酸化炭素液化部２によって熱交換が行われる前の温度近傍まで気体窒素を温度低下させる。窒素ガスエキスパンダー４によって温度低下された気体窒素は、空気深冷分離ユニット３へ戻される。この気体窒素は、空気深冷分離ユニット３で原料空気を深冷分離するプロセスで原料空気を冷却する冷熱源として利用される。
　図２に示すように、空気深冷分離ユニット３は、熱交換器１１を備えている。
　熱交換器１１は、原料空気を冷却液化するために、空気深冷分離ユニット３の内部で分離された窒素や酸素や空気エキスパンダーで膨張させた空気等を冷熱源として熱交換を行う。
　空気深冷分離ユニット３は、熱交換器１１によって冷却された原料空気を、液体酸素、液体窒素、および、気体窒素、気体酸素などに分離させる。酸素は、例えば、熱交換器１１、上述した石炭ガス化炉、ボイラーなどに適宜供給される。また、気体窒素は、熱交換器１１を介して二酸化炭素液化部２に供給される。
　二酸化炭素液化部２は、気体二酸化炭素を冷却・液化させるための二酸化炭素コンデンサー１５を備えている。この二酸化炭素コンデンサー１５には、空気深冷分離ユニット３から冷熱源として気体窒素が供給される。二酸化炭素コンデンサー１５に供給される気体窒素の温度は、例えば、二酸化炭素が固化しない温度よりも高く、二酸化炭素の液化温度よりも低くする。二酸化炭素コンデンサー１５で液体窒素と熱交換されて液化された液体二酸化炭素は、上述した昇圧ポンプ（図示せず）などの昇圧システムに供給される。
　二酸化炭素液化部２の下流の昇圧システム（図示せず）は、その下流のプロセス（図示せず）が要求する状態となるように液体二酸化炭素の温度を調整し、上記下流のプロセスへ二酸化炭素を送り出す。
　熱交換器１１によって原料空気との間で熱交換が行われた気体窒素は、空気深冷分離プロセスでの更なる熱交換工程を経て大気に放出または他のプロセスで利用される。
　したがって、上述した実施形態の二酸化炭素液化装置１によれば、空気深冷分離ユニット３によって得られた気体窒素を、原料空気を冷却するための気体冷媒（冷熱源）として用いることができる。さらに、二酸化炭素液化部２によって二酸化炭素と熱交換した後の気体窒素を、窒素ガスエキスパンダー４によって膨張させる際に、エネルギーを回収すると共に、膨張により気体窒素の温度を低下させることができる。さらに、窒素ガスエキスパンダー４出口の気体窒素の温度を、空気深冷分離ユニット３で必要であれば、窒素ガスエキスパンダー４で二酸化炭素と熱交換する前の温度程度まで温度低下させることができる。また、上記温度低下させた気体窒素を空気深冷分離ユニット３に戻すことで、二酸化炭素と熱交換を行わない一般的な空気深冷分離ユニットと同様に、気体窒素を原料気体などの様々な冷却に用いることができる。
　その結果、二酸化炭素液化装置１の低動力化を図ることが可能となる。より具体的には、二酸化炭素の冷却液化に利用する冷熱源を例えば、プロパン冷凍システムなどの専用の冷凍システムで作る場合と比較して、二酸化炭素を液化するために必要となる動力を低動力化することができる。
　なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
　例えば、上述した実施形態においては、窒素ガスエキスパンダー４により得られるエネルギーを、気体二酸化炭素を圧縮するための圧縮用コンプレッサーを作動させるための動力として用いる場合を一例に説明した。しかしながら、上記構成に限られず、例えば、空気分離装置内にあるコンプレッサーやポンプ（図示せず）などの動力として用いても良い。
　また、上述した実施形態においては、窒素を二酸化炭素の冷却用の冷熱源として用いる場合を一例に説明した。しかし、上記構成に限られず、例えば、分離された酸素を、二酸化炭素を冷却するための冷熱源としてもよい。例えば、液体酸素により二酸化炭素を冷却する場合、上述した液体窒素を冷熱源にする場合と同様に、まず液体酸素を気化させ、次いで、気化させた気体酸素を、二酸化炭素コンデンサー１５によって二酸化炭素と熱交換させる。
　さらに、二酸化炭素と熱交換させた後の気体酸素を、酸素ガスエキスパンダー（窒素ガスエキスパンダー４に相当）により膨張させ、その後、この膨張させた気体酸素を、熱交換器１１で原料空気と熱交換させる。最後に、原料空気と熱交換により温度上昇された気体酸素をガス化炉などに供給する。なお、ガス化炉などに供給される気体酸素の温度が低すぎる場合、原料空気を圧縮する圧縮機１０やガスコンプレッサー（図示せず）から吐出される高温のガスを加熱源として加温するようにしても良い。
　冷熱源として、窒素と、酸素とを個別に用いる一例を説明したが、窒素と酸素とを両方用いても良い。さらに、冷熱源として、空気深冷分離ユニット３で製造された酸素と窒素とを混合した混合空気を用いたり、この混合空気を上記窒素、酸素と適宜組み合わせて用いたりしても良い。この混合空気を用いる場合も、上述した窒素および酸素の場合と同様に、二酸化炭素と熱交換した後の混合空気を、混合空気用のガスエキスパンダー（窒素ガスエキスパンダー４に相当）により膨張させる。そして、エネルギー回収を行うと同時に温度低下された混合空気を、熱交換器１１に送り込んで熱交換させればよい。
　さらに、上述した実施形態においては、空気深冷分離ユニット３により生成された気体窒素を、熱交換器１１を介して二酸化炭素液化部２へ供給する場合について説明したが、気体窒素を、熱交換器１１を介さずに二酸化炭素液化部２に供給するようにしても良い。
　また、上述した実施形態においては、二酸化炭素液化部２と空気深冷分離ユニット３との間に窒素ガスエキスパンダー４が一段だけ設けてある場合を一例に説明した。しかし、窒素ガスエキスパンダー４の段数を、蒸発器１４によって気化された気体窒素の圧力に応じて複数段にしても良い。より具体的には、窒素ガスエキスパンダー４と二酸化炭素コンデンサー１５との組み合わせを複数組直列に接続して設けても良い。この場合、最上流の一段目の窒素ガスエキスパンダー４によって膨張させた気体窒素を、再度二酸化炭素コンデンサー１５で二酸化炭素と熱交換させ、その後、二段目の窒素ガスエキスパンダー４によって再度膨張させる。そして、この二段目の窒素ガスエキスパンダー４によって膨張された気体窒素を熱交換器１１に供給する。三段以上窒素ガスエキスパンダー４を設けている場合には、上記プロセスを繰り返す。なお、冷熱源として上述した酸素や混合ガスを用いる場合も同様である。
　さらに、上述した実施形態においては、窒素ガスエキスパンダー４により膨張された気体窒素を熱交換器１１で熱交換した後に大気放出または他のプラントで利用する場合について説明したが、低圧のガスコンプレッサーから吐出される高温の二酸化炭素や圧縮機（図示せず）から吐出される高温の原料空気と熱交換させるようにしても良い。
　また、上述した実施形態においては、冷熱源生成プラントＰが、冷熱源を生成する空気深冷分離ユニット３を備える場合について説明したが、これに限られるものではない。すなわち、空気分離以外の方法で冷熱源を生成するようにしてもよい。
　さらに、上述した実施形態においては、酸素吹き石炭ガス化炉を備える複合発電を行う発電所などのプラントに設けられた二酸化炭素液化装置１を一例にして説明したが、これに限られない。例えば、冷熱源生成プラントＰを備え、且つ、二酸化炭素を排出するプラントであれば、この発明の二酸化炭素液化装置を適用可能である。
　また、上述した実施形態においては、高圧状態の二酸化炭素を生成するプロセスの途中で用いられる二酸化炭素液化装置１を一例に説明した。しかし、この発明の二酸化炭素液化装置は、二酸化炭素を高圧状態にする過程において液体二酸化炭素を生成するものに限られない。液体二酸化炭素の製造を最終目的とする二酸化炭素液化装置などにも適用可能である。
　本発明は、冷熱源生成部から送り出される気体冷媒と二酸化炭素とを熱交換させることで、二酸化炭素を液化させる二酸化炭素液化部を備える二酸化炭素液化装置について適用可能である。
　１　二酸化炭素液化装置
　２　二酸化炭素液化部
　３　空気深冷分離ユニット
　４　窒素ガスエキスパンダー
　１１　熱交換器
　１５　二酸化炭素コンデンサー

Claims (5)

  1. 　冷熱源生成プラントで使用および製造される気体状態の冷熱源の一部を冷媒として熱交換させることで、二酸化炭素を含むガスから分離回収された二酸化炭素を液化させる二酸化炭素液化部と、
    　前記二酸化炭素液化部で二酸化炭素と熱交換した気体冷媒を膨張させることでエネルギーを取り出すと同時に、前記気体冷媒を温度低下させるエネルギー回収部と、を備え、
    　前記エネルギー回収部は、温度低下された前記気体冷媒を前記冷熱源生成プラントに戻す二酸化炭素液化装置。
  2. 　請求項１に記載した二酸化炭素液化装置であって、
    　前記エネルギー回収部は、
    　前記冷熱源生成プラントで使用するために必要な温度まで前記気体冷媒の温度を低下させる二酸化炭素液化装置。
  3. 　請求項１又は２に記載した二酸化炭素液化装置であって、
    　前記冷熱源生成プラントは、原料空気を少なくとも酸素および窒素に分離可能な空気深冷分離ユニットを備える二酸化炭素液化装置。
  4. 　請求項３に記載した二酸化炭素液化装置であって、
    　前記空気深冷分離ユニットは、前記エネルギー回収部によって温度低下された前記気体冷媒を用いて熱交換を行う熱交換部を備える二酸化炭素液化装置。
  5. 　請求項４に記載した二酸化炭素液化装置であって、
    　前記エネルギー回収部と前記熱交換部との組み合わせを複数組直列に接続して備える二酸化炭素液化装置。
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