特開 2024-170144 熱交換システムおよびＣＯ２回収システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024170144

(43)【公開日】2024-12-06

(54)【発明の名称】熱交換システムおよびＣＯ２回収システム

(51)【国際特許分類】

   F23J 15/06 20060101AFI20241129BHJP

   F23J 15/08 20060101ALI20241129BHJP

   F23J 15/00 20060101ALI20241129BHJP

   F22B 37/00 20060101ALI20241129BHJP

   B01D 53/62 20060101ALI20241129BHJP

   C01B 32/50 20170101ALI20241129BHJP

【ＦＩ】

F23J15/06

F23J15/08

F23J15/00 J

F22B37/00 Z

B01D53/62 ZAB

C01B32/50

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023087148

(22)【出願日】2023-05-26

(71)【出願人】

【識別番号】000175272

【氏名又は名称】三浦工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004082

【氏名又は名称】弁理士法人北大阪特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安井 賢志

【テーマコード（参考）】

3K070

4D002

4G146

【Ｆターム（参考）】

3K070DA09

3K070DA48

4D002AA09

4D002AC10

4D002BA02

4D002BA04

4D002BA13

4D002CA13

4D002DA31

4D002EA07

4D002EA08

4D002FA01

4G146JA02

4G146JB09

4G146JC10

4G146JC14

4G146JC28

4G146JC35

(57)【要約】

【課題】ＣＯ_２回収装置へボイラの排ガスを供給するようにしたシステムに設けられ、冷却したＣＯ_２含有ガスを熱交換に有効利用することが可能となる熱交換システムを提供する。
【解決手段】ボイラでの燃焼動作により生じる排ガスをＣＯ_２回収装置へ供給して、当該排ガスからＣＯ_２を回収するＣＯ_２回収システムに設けられるものであって、前記ＣＯ_２回収装置によって生成されたＣＯ_２含有ガスを冷却する冷却装置と、冷却された前記ＣＯ_２含有ガスと前記排ガスとを熱交換させる熱交換装置と、を備える熱交換システムとする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ボイラでの燃焼動作により生じる排ガスをＣＯ_２回収装置へ供給して、当該排ガスからＣＯ_２を回収するＣＯ_２回収システムに設けられるものであって、
前記ＣＯ_２回収装置によって生成されたＣＯ_２含有ガスを冷却する冷却装置と、
冷却された前記ＣＯ_２含有ガスと前記排ガスとを熱交換させる熱交換装置と、を備えることを特徴とする熱交換システム。

【請求項2】

前記冷却装置は、前記ＣＯ_２含有ガスを１０℃以下に冷却することを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の熱交換システムを備え、
ボイラでの燃焼動作により生じる排ガスをＣＯ_２回収装置へ供給して、当該排ガスからＣＯ_２を回収することを特徴とするＣＯ_２回収システム。

【請求項4】

前記熱交換装置における熱交換によって前記排ガスを気水分離させ、当該気水分離後の排ガスを前記ＣＯ_２回収装置へ供給することを特徴とする請求項３に記載のＣＯ_２回収システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱交換システム、およびこれを備えたＣＯ_２回収システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、各種の排ガス等からＣＯ_２（二酸化炭素）を回収するＣＯ_２回収装置が提案されている。回収されたＣＯ_２は、例えばドライアイスの原料や各種工業用ガス等として有効に利用可能である。

【0003】

一例として特許文献１には、製鉄所の熱風炉から排出される排ガス（原料ガス）から二酸化炭素を回収するＣＯ_２回収装置が開示されている。なお特許文献１では、製鉄所の熱風炉に限らず、他の種類の燃焼炉（例えばボイラ等）や熱処理炉から排出される排ガス等からＣＯ_２を回収することについても言及されている（段落0083等を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開2008-174407号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＣＯ_２回収装置は回収したＣＯ_２を含むＣＯ_２含有ガスを生成し、このＣＯ_２含有ガスは、除湿して純度を上げるために冷却することによって、より純度の高いＣＯ_２とすることが可能である。この冷却されたＣＯ_２含有ガスは低温状態となっているが、適切に除湿がなされた後には低温状態を維持する必要が無く、むしろ比較的高めの温度状態（例えば常温程度）である方が取扱い易いことが多い。そのため、低温状態となったＣＯ_２含有ガスを熱交換に有効利用できることが望まれる。

【0006】

本発明は上記課題に鑑み、ＣＯ_２回収装置へボイラの排ガスを供給するようにしたシステムに設けられ、冷却したＣＯ_２含有ガスを熱交換に有効利用することが可能となる熱交換システム、およびこれを備えたＣＯ_２回収システムの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る熱交換システムは、ボイラでの燃焼動作により生じる排ガスをＣＯ_２回収装置へ供給して、当該排ガスからＣＯ_２を回収するＣＯ_２回収システムに設けられるものであって、前記ＣＯ_２回収装置によって生成されたＣＯ_２含有ガスを冷却する冷却装置と、冷却された前記ＣＯ_２含有ガスと前記排ガスとを熱交換させる熱交換装置と、を備える構成とする。

【0008】

本構成によれば、ＣＯ_２回収装置へボイラの排ガスを供給するようにしたシステムに設けられ、冷却したＣＯ_２含有ガスを熱交換に有効利用することが可能となる。また上記構成としてより具体的には、前記冷却装置は、前記ＣＯ_２含有ガスを１０℃以下に冷却する構成としても良い。

【0009】

また本発明に係るＣＯ_２回収システムは、上記構成の熱交換システムを備え、ボイラでの燃焼動作により生じる排ガスをＣＯ_２回収装置へ供給して、当該排ガスからＣＯ_２を回収する構成とする。本構成によれば、上記構成の熱交換システムの利点を享受することが可能となる。

【0010】

上記構成としてより具体的には、前記熱交換装置における熱交換によって前記排ガスを気水分離させ、当該気水分離後の排ガスを前記ＣＯ_２回収装置へ供給する構成としても良い。本構成によれば、排ガス中の水分によってＣＯ_２回収装置内の配管等が結露することを抑えることが可能となる。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る熱交換システムによれば、ＣＯ_２回収装置へボイラの排ガスを供給するようにしたシステムに設けられ、低温状態となったＣＯ_２含有ガスを熱交換に有効利用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施形態に係る熱交換システムを備えたＣＯ_２回収システム１００の概略的な構成図である。

【図2】本実施形態に係るボイラ１の概略的な構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の実施形態に係る熱交換システム、および当該熱交換システムを備えたＣＯ_２回収システムについて、各図面を参照しながら以下に説明する。

【0014】

図１は、本実施形態に係るＣＯ_２回収システム１００の概略的な構成図である。ＣＯ_２回収システム１００は、ボイラ１、ＣＯ_２回収装置２、排ガス供給ライン３、回収ガス流通ライン４、および熱交換システム５を有しており、ボイラ１での燃焼動作により生じる排ガスＧａをＣＯ_２回収装置２へ供給して、当該排ガスＧａからＣＯ_２を回収するシステムとなっている。

【0015】

ボイラ１は、燃料を燃焼させる燃焼動作を行って熱を発生させ、この燃焼熱を用いて加熱対象である水を加熱して蒸気を生成し、外部へ供給する役割を果たす。ボイラ１において燃焼動作が行われる際には、原料ガス等の燃料を燃焼させることに伴い、ＣＯ_２等を含む排ガスＧａが生じることになる。なおＣＯ_２回収システム１００においては、一例として２台のボイラ１が設置されているが、ボイラ１の設置台数は特に限定されない。

【0016】

図２は、ボイラ１の構成例を概略的に示している。本図に示す例のボイラ１は、ボイラ缶体１１、セパレータ１２、エコノマイザ１３、煙道１４、給水管１５ａ、燃料供給管１５ｂ、空気供給管１５ｃ、降水管１５ｄ、ブロー配管１５ｅ、ブロー弁１６、およびバーナ１７を備える。図２に示す例のボイラ１は多管式貫流ボイラであり、ボイラ缶体１１は、上部管寄せ１１ａと下部管寄せ１１ｂの間を複数の垂直な水管１１ｃで連結した構造となっている。但し、本実施形態のボイラ１は、図１に示す構成のものに限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々のボイラが採用され得る。

【0017】

図２に示すボイラ１において、外部或いは給水タンク等から給水される補給水は、給水管１５ａを通ってボイラ缶体１１の下部管寄せ１１ｂから水管１１ｃ内に供給され、水管１１ｃ内の水位は所望の位置に維持される。一方でバーナ１７には、外部から燃料供給管１５ｂを介して燃料が供給されるとともに、外部から空気供給管１５ｃを介して空気が供給される。バーナ１７がこの空気を用いて燃料を燃焼させることにより、ボイラ１において燃焼動作が行われる。この燃焼動作によってボイラ缶体１１に配置された水管１１ｃが加熱され、当該水管１１ｃを流通する補給水から蒸気を生成することが可能である。

【0018】

ボイラ缶体１１において生成された蒸気は上部管寄せ１１ａからセパレータ１２に流入して気水分離され、分離された水は降水管１５ｄを介してボイラ缶体１１に戻される。なお降水管１５ｄからブロー配管１５ｅが分岐して設けられており、ブロー配管１５ｅにはブロー弁１６が設けられている。ブロー弁１６を適宜開くことにより、ブロー水を排出させることが可能である。セパレータ１２内の蒸気は、所定の配管を介して外部の供給先（各種蒸気機器など）に供給される。

【0019】

燃焼動作によって生じた排ガスＧａは、エコノマイザ１３を経て煙道１４に送られる。なお、エコノマイザ１３の内部には給水管１５ａが配置されており、エコノマイザ１３を通る排ガスＧａは、この給水管１５ａを通る補給水との熱交換により冷却された上で煙道１４に送られる。このようにエコノマイザ１３は、排ガスＧａの熱を用いて給水予熱を行う役割を果たす。

【0020】

ＣＯ_２回収装置２は、ボイラ１が排出する排ガスからＣＯ_２を回収して、各種用途に利用可能とする役割を果たす。本実施形態のＣＯ_２回収装置２としては、ＣＯ_２吸収材（例えばアミン系吸収液）を用いてＣＯ_２を吸着して回収する装置等が採用されるが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々のＣＯ_２回収装置が採用され得る。

【0021】

なお、ＣＯ_２吸収材を用いるＣＯ_２回収装置としては、例えば、ＴＳＡ（Thermal Swing Adsorption）プロセスを採用したもの、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）プロセスを採用したもの等が知られているが、本実施形態のＣＯ_２回収装置２は何れのプロセスを採用したものであっても良い。

【0022】

排ガス供給ライン３は、図１に示すように各ボイラ１とＣＯ_２回収装置２を繋ぐように配置されており、各ボイラ１の排ガスＧａをＣＯ_２回収装置２へ流通させる役割を果たす。本実施形態の例における排ガス供給ライン３は、図２に示すように、ボイラ１の煙道１４の途中位置から延びるように設けられている。各ボイラ１から排出される排ガスＧａは、図１に示す排ガス供給ライン３上の所定位置αで合流し、纏めてＣＯ_２回収装置２へ送られることになる。

【0023】

なお排ガス供給ライン３には、各ボイラ１から排ガスＧａを吸引するためのブロワ等（不図示）が設けられている。ボイラ１においてエコノマイザ１３から煙道１４に送られた排ガスＧａは、全てが排ガス供給ライン３へ送られるようにしても良く、一部が排ガス供給ライン３へ送られて、残りは煙道１４の端部から外部へ排出されるようにしても良い。

【0024】

回収ガス流通ライン４は、図１に示すように、ＣＯ_２回収装置２からＣＯ_２の供給先Ｘ（例えば、ＣＯ_２を一時的に貯留するタンク、或いはＣＯ_２を消費する装置等）へ延びるように設けられている。回収ガス流通ライン４は、ＣＯ_２回収装置２によって回収されたＣＯ_２（ＣＯ_２回収装置２から脱離させたＣＯ_２）を主に含有する回収ガスＧｂを、ＣＯ_２の供給先Ｘへ流通させる役割を果たす。

【0025】

熱交換システム５は、冷却器５１、凝縮器５２、および熱交換装置５３を備えている。冷却器５１は、回収ガス流通ライン４の所定箇所に配置されており、回収ガスＧｂを冷却する。凝縮器５２は、回収ガス流通ライン４における冷却器５１の後段側に配置されており、冷却器５１によって冷却された回収ガスＧｂを０℃以下に冷却し、回収ガスＧｂに含まれる水分を凝縮して除去する。なお、例えばＣＯ_２回収装置２がＳＡ－ＶＳＡのプロセスを採用した装置である場合、凝縮器５２で０℃に冷却されても、回収ガスＧｂには水分が0.5％程度残っている。

【0026】

冷却器５１および凝縮器５２を通ることにより、回収ガスＧｂは十分に除湿され、ＣＯ_２の純度が大きく高められる。なお、本実施形態では冷却器５１と凝縮器５２を別々の装置として設けているが、その代わりに、これら両方の機能を兼ね備える１個の冷却装置を設けるようにしても構わない。冷却器５１および凝縮器５２（或いはこれら両方の機能を兼ね備えた冷却装置）は、除湿を効果的に行うため、回収ガスＧｂを１０℃以下に冷却するように構成することが好ましく、本実施形態のように０℃以下にまで冷却するように構成することがより好ましい。

【0027】

熱交換装置５３は、図１に示すように、排ガス供給ライン３と回収ガス流通ライン４の両方に介在するように配置されている。より具体的に説明すると、熱交換装置５３は、回収ガス流通ライン４における凝縮器５２の後段側に配置されており、この位置での回収ガスＧｂと排ガス供給ライン３の所定位置（先述した位置αよりも後段側の位置）での排ガスＧａとを熱交換させる。

【0028】

ここで熱交換装置５３を通る段階の回収ガスＧｂは、冷却器５１および凝縮器５２によって冷却されて低温状態となっており、熱交換装置５３を通る段階の排ガスＧａよりも十分に温度が低くなっている。そのため熱交換装置５３での熱交換により、回収ガスＧｂは温度が上昇する一方、排ガスＧａは冷却されることになる。

【0029】

熱交換装置５３によって排ガスＧａを冷却することにより、排ガスＧａ中の水分の少なくとも一部が凝縮して除去される。このように排ガスＧａに対して気水分離が行われることにより、その分、排ガスＧａ中の水分によってＣＯ_２回収装置２内の配管等が結露することを抑えることが可能となる。

【0030】

回収ガス流通ライン４における熱交換装置５３の後段側はＣＯ_２の供給先Ｘに繋がっており、熱交換装置５３での熱交換によって温度が上昇した回収ガスＧｂは、この供給先Ｘへ供給されることになる。

【0031】

なお、供給先Ｘへ供給される過程では、回収ガスＧｂは低温状態である必要はなく、むしろ一般的な環境温度に近い常温程度である方が取扱い易い。本実施形態の例では、熱交換装置５３での熱交換によって回収ガスＧｂは常温程度に上昇しており、回収ガスＧｂの取扱い易さも向上するよう配慮されている。

【0032】

以上に説明したとおり本実施形態の熱交換システム５は、ボイラ１での燃焼動作により生じる排ガスＧａをＣＯ_２回収装置２へ供給して、当該排ガスＧａからＣＯ_２を回収するＣＯ_２回収システム１００に設けられる。更に熱交換システム５は、ＣＯ_２回収装置２によって生成された回収ガスＧｂを冷却する冷却装置（冷却器５１および凝縮器５２）と、冷却された回収ガスＧｂと排ガスＧａとを熱交換させる熱交換装置５３と、を備える。

【0033】

そのため熱交換システム５によれば、冷却した回収ガスＧｂを熱交換に有効利用することが可能となっている。なおＣＯ_２回収システム１００は、熱交換装置５３における熱交換によって排ガスＧａを気水分離させ、この気水分離後の排ガスＧａをＣＯ_２回収装置２へ供給するようにしている。そのため先述したとおり、排ガスＧａ中の水分によってＣＯ_２回収装置２内の配管等が結露することを抑えることが可能である。

【0034】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

【産業上の利用可能性】

【0035】

本発明は、排ガスからＣＯ_２を回収するＣＯ_２回収システムに利用可能である。

【符号の説明】

【0036】

１ ボイラ
１１ ボイラ缶体
１１ａ 上部管寄せ
１１ｂ 下部管寄せ
１１ｃ 水管
１２ セパレータ
１３ エコノマイザ
１４ 煙道
１５ａ 給水管
１５ｂ 燃料供給管
１５ｃ 空気供給管
１５ｄ 降水管
１５ｅ ブロー配管
１６ ブロー弁
１７ バーナ
２ ＣＯ_２回収装置
３ 排ガス供給ライン
５ 熱交換システム
５１ 冷却器
５２ 凝縮器
５３ 熱交換装置
１００ ＣＯ_２回収システム
Ｇａ 排ガス
Ｇｂ 回収ガス

【図1】

【図2】