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JP2002316809A - 液化ｃｏ２・ドライアイスの製造・貯蔵・利用システム及び液化ｃｏ２・水素の製造・貯蔵・利用システム及びドライアイス製造方法とその装置 - Google Patents

液化ｃｏ２・ドライアイスの製造・貯蔵・利用システム及び液化ｃｏ２・水素の製造・貯蔵・利用システム及びドライアイス製造方法とその装置

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JP2002316809A
JP2002316809A JP2002023847A JP2002023847A JP2002316809A JP 2002316809 A JP2002316809 A JP 2002316809A JP 2002023847 A JP2002023847 A JP 2002023847A JP 2002023847 A JP2002023847 A JP 2002023847A JP 2002316809 A JP2002316809 A JP 2002316809A
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JP
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gas
dry ice
low
pressure
liquefied
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JP2002023847A
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潤二 松田
Katsumi Fujima
克己 藤間
Tomoiku Yoshikawa
朝郁 吉川
Hiroyuki Suzuki
啓之 鈴木
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Mayekawa Manufacturing Co
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Mayekawa Manufacturing Co
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温排熱と、高温排熱とを利用して、冷熱へ
の変換と、高濃度ＣＯ２ガスの回収排出を行なわせ、高
濃度ＣＯ２ガスをＣＯ２液化サイクルの冷媒に使用し、
冷熱をＣＯ２液化サイクルの高圧高温冷媒の冷却用冷熱
源に使用し、形成された超臨界ＣＯ２を二相流膨張過程
により液化ＣＯ２を分離して、液化ＣＯ２・ドライアイ
スを製造する。 【構成】 本発明の工場排熱を利用した液化ＣＯ２・ド
ライアイス・水素の製造・貯蔵・利用システムは、化学
工場等の熱供給部３０に付設した、ケミカルヒートポン
プ１０と、燃料の水蒸気改質手段２０と、化学吸収手段
２３と、ＣＯ２液化サイクル１１とより構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、化学工場等の工場
排熱を利用して、排出ＣＯ２ガス、Ｈ２ガスの回収、及
びコプロダクションの改質反応にＣＯ２副産物を伴う反
応系における反応熱の利用及び副産物であるＣＯ２ガス
の高収率回収と、該回収により低温物流、食品工場向
け、ケミカル工場向け等の低環境負荷・冷熱供給システ
ムに関わるもので、低温排熱と、高温排熱とを利用し
て、冷熱への変換と、高濃度ＣＯ２ガスの回収を行なわ
せ、前記高濃度ＣＯ２ガスをＣＯ２液化サイクルの冷媒
に使用し、前記冷熱をＣＯ ２液化サイクルの高圧高温の
超臨界ＣＯ２の冷却用冷熱源に使用した、液化ＣＯ ２・
ドライアイスの製造・貯蔵・利用システムと液化ＣＯ２
・水素の製造・貯蔵・利用システムと、前記冷却した過
冷却状超臨界ＣＯ２より二相流膨張機の二段階使用を介
して高機能、高効率化を可能としたドライアイス製造方
法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年地球環境問題、特に地球温暖化防止
の観点から、工場の低温排ガスの有効利用、ならびに余
剰夜間電力の有効利用、ならびにＣＯ２ガスの大気排出
量の削減、回収等が叫ばれている。上記ＣＯ２の排出量
の削減のためには、省エネルギ化を図ることや火力発電
所などＣＯ２排出量の大きい施設から排出されるＣＯ２
ガスを回収して大気へは排出しないことが必要となる。
最近は、大型化学工場等においては、電力供給と熱供給
を併設さたコーゼネレーション施設が普及され排熱の回
収が行なわれている。例えば、図５に示すコンバインド
発電サイクルが使用され、従来より火力発電に用いられ
てきた蒸気タービン５０ａによる発電設備５０と、ガス
タービン発電装置５１とを組み合わせたコンバインドサ
イクルが使用され、排熱ボイラ５２で得られた蒸気５２
ａを蒸気タービン５０ａに送ることにより補助電力を得
るようにするとともに、蒸気タービン５０ａからの抽気
蒸気量５０ｂを変化させることにより熱電可変のシステ
ムを形成させ、エネルギの効率的運用を図っている。
【０００３】上記ＣＯ２の排出量の削減のためには、省
エネルギ化を図ることや火力発電所などＣＯ２排出量の
大きい施設から排出される燃焼排ガス中の一部を形成す
る炭酸ガスを濃縮し、ガス状、液状でまたは固体状のド
ライアイスとして分離回収されることが要求されてい
る。該要求に対し、特開２０００−２４４５４公報に
「燃焼排ガスの処理方法及び装置」なる提案が開示され
ている。前記提案の概略の構成を図６を介して下記に説
明する。本装置は、燃焼排ガス中の炭酸ガスをＬＮＧ冷
熱を有効利用してドライアイスとして固化した後に分離
・回収する燃焼排ガスの処理方法とその装置に関するも
のである。
【０００４】その構成は、ボイラ６０より排出された燃
焼排ガス６１中の水分を冷却して水分を凝集する水分凝
集手段６２と、燃焼排ガス中の残存水分を−３０℃以下
の低温で冷却して氷６３ａを固化する氷固化装置６３
と、炭酸ガス固化装置６４を経て、水分を完全に除去し
た燃焼排ガス６１中の炭酸ガス（ドライアイス）６５と
低温の炭酸ガスを含まない排ガス６６とを分離する固気
分離器６７と、分離されたドライアイス６５を加圧して
液化する炭酸ガス液化装置６８と、液化ＣＯ２６９を貯
蔵する液化炭酸貯槽７０と、前記ＬＮＧを液化して冷熱
を得る図示していない熱交換器とより構成している。
【０００５】上記提案は前記ＬＮＧの気化熱を冷熱とし
て有効利用を図ったもので、燃焼排ガス中の水分を氷と
して固化・分離後に、さらに燃焼排ガス中の炭酸ガスを
ドライアイスとして固化または液化したものであるが、
このような大きな気化熱を持つ燃料使用の場合は特定の
場合に限定され、一般の都市ガスを使用する場合には適
用不可の問題がある。
【０００６】上記以外に燃焼排ガス中のＣＯ２ガスをガ
ス状で分離する方法としては、特開平１０−５９７０５
号公報に開示された「炭酸ガスの分離・回収方法」に関
わる提案がある。該提案においては、混合ガスに含まれ
る炭酸ガスを膜分離工程と深冷分離工程を含む方法によ
り、分離回収に要するエネルギ消費量を少なくしたもの
であるが、発電所等の大容量のガス処理には設備のスケ
ールアップ、コスト等の課題がある。
【０００７】次にドライアイス製造方法としては、従
来、液化ＣＯ２を自己減圧フラッシュ方式で、−２０℃
の液から−７８．５℃のドライアイスに相変態させ微粒
子状のドライアイスを参集、定型化する方法が取られて
いるが、歩留まりは低い。
【０００８】上記低歩留まり解決の手段として、特開平
１−３２０２１３号公報にその課題を解決する新たな提
案が開示されている。この提案は、ピストンシリンダで
ある固形化容器内へ三重点以上（５．２８Ｋｇ／ｃｍ２
ａｂｓ以上の圧力）に圧縮された液化ＣＯ２を注入し、
連続的に抽出するものである。前記従来の自己フラッシ
ュ方式の低歩留まりの解決のためなされたもので、シリ
ンダ内に注入される液化炭酸ガスが略全量固化され、固
化されたドライアイスは連続的に保持機構内に連続的に
引き出すようにしてあるが、シリンダ壁面と固化した液
化ＣＯ２の固着等の問題があり、運転条件の設定が困難
であるという問題点を抱えている。
【０００９】上記提案の問題点解決のための別の提案
が、特開平５−９７４１９号公報にドライアイス生成系
に係わる提案として開示されている。該提案は、図７に
示すように、液化炭酸ガスは、タンクローリ８３より、
減圧用冷却器８４、貯蔵タンク８５等を経て、液化炭酸
ガス固化装置８１に至り、爾後カッティング装置８６、
搬送装置８６ａを経て、製品ドライアイス過冷却用超低
温倉庫８７へと移動処理される構成にしてある。冷却液
循環系Ｓ３の経路は、冷却液冷却器８８、製品ドライア
イス過冷却用超低温倉庫８７、液化炭酸ガス固化装置８
１、減圧用冷却器８４、冷却液レシーバ８９、冷却液ポ
ンプ９０よりなる。一方、ＬＮＧ冷却系Ｓ２はＬＮＧ源
９１より、前記冷却液冷却器８８、天然ガス加温器９２
への経路を備えている。上記構成において、タンクロー
リ８３により搬入される液化ＣＯ２を形成するローリ液
炭（−２０℃）は、減圧用冷却器８４により、−５０℃
まで冷却され貯蔵タンク８５に貯蔵されるとともに、６
Ｋｇ／ｃｍ２Ｇ以上に加圧された状態で固化装置８１に
導入される。導入された液化炭酸ガスは固化装置８１で
更に冷却され、−７８．５℃以下の棒状ドライアイスが
生成される。前記棒状ドライアイス８１ａはカッティン
グ装置８６により断裁され過冷却用超低温倉庫８７で保
管される。
【００１０】一方、二酸化炭素液化装置については、原
料の二酸化炭素を外部へ逃すことの少ない高収率の二酸
化炭素液化装置に関する提案が特開平１０−５９７０６
号公報に開示されている。該提案は図８に示すように、
炭酸ガスを貯留するガスホルダ１０１からの低圧ガスラ
イン１０３は炭酸ガス中の不純物を除去する水洗筒１０
２を介して二段圧縮機よりなる炭酸ガス圧縮機１０４の
低圧側吸入口１０４ａに接続されていて、同圧縮機１０
４の低圧側吐出口１０４ｂは中圧ガスライン１０６によ
り脱臭装置１０５を介して前記圧縮機の高圧側入口１０
４ｃに接続され、同吐出口１０４ｄは高圧ガスライン１
０７により除湿装置１０８を介して冷却装置１０９の炭
酸ガス入口１０９ａに接続されている。冷却装置１０９
は高圧ガスライン１０７からの炭酸ガスを冷却すること
により、凝縮液化せしめ、例えば不図示の冷凍機からの
冷却装置１０９内の冷媒コイル１０９ｃ内に送られる冷
媒により炭酸ガスの凝縮液化をしている。冷却装置１０
９の液化二酸化炭素出口１０９ｂに一端が接続された高
圧液ライン１１０の他端は液化二酸化炭素を貯留する真
空断熱タンク１１１の下部には開閉弁１１２を備える液
化二酸化炭素の供給ライン１１３の一端が接続されてい
る。前記真空断熱タンク１１１内の気相部位に一端が臨
む戻りガスライン１１４の他端を前記圧縮機１０４の低
圧側吐出口１０４ｂと脱臭装置１０５を経る中圧ガスラ
イン１０６に接続する。上記構成により、圧縮機１０４
で圧縮された炭酸ガスは冷却装置１０９で凝縮、液化さ
れ液化二酸化炭素になり、真空断熱タンク１１１に送ら
れ貯留される。同タンク内に液化二酸化炭素が送り込ま
れることによりタンク内の気相圧力が所定値を越えると
圧力調整器１１６からの信号により戻りガスラインを介
して炭酸ガスは圧縮機の吸入側に還流され、無駄をなく
している。
【００１１】また、従来の二酸化炭素の液化を含むドラ
イアイス製造工程では、図９に見るように、炭酸ガスの
圧縮機１２０による圧縮前に行なう洗浄塔１２１による
洗浄処理及び脱硫器１２２による脱硫処理、圧縮後に行
なう精製塔１２３による精製処理、脱湿器１２４による
脱湿処理を（前記提案においてもその一部が散見され
る）必要とし、これらの処理の後、高圧高温ＣＯ２ガス
を水冷却器１２５、ＣＯ ２ガス冷却器１２６と、過冷却
器１２７により過冷却状超臨界ＣＯ２を形成させ、該超
臨界ＣＯ２の液に近い高密度の超臨界ガスをＣＯ２液化
タンク１２８に貯留後、減圧弁１２９を介してドライア
イスプレス機１３０に導入し、該ドライアイスプレス機
で約−７８．５℃のドライアイスを生成するとともに、
前記減圧の際発生した低温ＣＯ２ガスを前記過冷却器１
２７の熱交換器を経由後圧縮機１２０に還流させる構成
にしてある。上記従来のドライアイス生成システムにお
いては、原料が粗ガスのため、前記したように圧縮前後
に洗浄塔１２１、脱硫器１２２、精製塔１２３、脱湿器
１２４の設備コストを必要とする上、原料のＣＯ２粗ガ
スに対して３９．４％の低収率である。そのため、上記
設備コストを低コストに抑えるとともに、省エネルギ性
の高い高収率のドライアイス製造方法とその装置の実現
が要望されている。
【００１２】特に、エネルギと物質の消費を抑え環境汚
染物質の排出を抑圧する新エネルギとして水素エネルギ
が、自然エネルギの風力、太陽光の希薄性、時間的変動
性等の欠点を補う点から重要視されるなかで、その水素
エネルギの大量使用を可能とするためには、改質反応に
よりその２５％が副産物として生成される二酸化炭素の
効率的回収処理対策の実現が強く要求されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に鑑みなされたもので、低温排熱と、高温排熱とを利用
して、冷熱への変換と、高濃度ＣＯ２ガスの回収排出を
行なわせるとともに、コプロダクションの改質反応にＣ
Ｏ２副産物を伴う反応系における反応熱の回収及びＣＯ
２ガスの高収率回収を可能とする、液化ＣＯ２・ドライ
アイスの製造・貯蔵・利用システムとＣＯ２・水素の製
造・貯蔵・利用システムと、高収率のドライアイス製造
方法とその装置の提供を目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明の第１の
発明である工場排熱を利用した液化ＣＯ２・ドライアイ
スの製造・貯蔵・利用システムにおいて、工場等の低温
反応系より排出する低温排熱を使用して作動するケミカ
ルヒートポンプより得られる冷熱によりＣＯ２ガス冷却
器を作動させ、超臨界ＣＯ２サイクルの高温高圧冷媒の
超臨界状態を形成させ、超臨界ＣＯ２を二相流膨張機を
介して低圧の液化ＣＯ２と低圧低温のＣＯ２ガスに分離
して、前者の液化ＣＯ２の冷却によりドライアイスを得
るとともに、後者の低圧低温ＣＯ２ガスを前記ＣＯ２液
化サイクルの冷媒に再利用する構成としたことを特徴と
する。
【００１５】前記発明は本発明の目的である工場排熱を
形成する低温排熱（約５０〜１００℃）と、夜間の抽気
蒸気による高温排熱（約５００℃）とを利用して、冷熱
への変換と、高濃度ＣＯ２ガスの回収排出を別途行なわ
せ、回収した前記高濃度ＣＯ２ガスをＣＯ２液化サイク
ルの冷媒に使用し、前記冷熱をＣＯ２ガス冷却器を介し
てのＣＯ２液化サイクルの高温ガスの冷却に使用して、
超臨界ＣＯ２を形成する構成としたもので、負荷の変動
に対しても前記冷熱と高濃度ＣＯ２ガスのバランスのと
れた供給ができ、高能率的排熱の有効利用を図ってい
る。
【００１６】また、前記液化ＣＯ２を得るため、前記高
濃度ＣＯ２ガスを冷媒とする圧縮機、ＣＯ２ガス冷却
器、気液分離減圧手段等を含むＣＯ２液化サイクルを形
成させ、前記冷熱により前記ＣＯ２ガス冷却器を作動さ
せ圧縮機による高温高圧冷媒を超臨界状態に置き、ＣＯ
２の液相と気相とが入り交じり常に変転し、相の境界が
存在しない状態を維持させる。その超臨界状態のＣＯ２
を気液分離減圧手段である二相流膨張機を介在させるこ
とにより、液相と気相とに分離させ、液化ＣＯ２、延い
てはドライアイスを得て、冷熱の貯蔵、利用を可能にし
ている。なお、上記気液分離減圧の際形成される低圧低
温ＣＯ２ガスは、前記高濃度ＣＯ２ガスとともに圧縮機
に吸入され、ＣＯ２液化サイクルに再使用される。
【００１７】また、本発明の液化ＣＯ２・ドライアイス
の製造・貯蔵・利用システムにおける二相流膨張機は、
直結する発電機により動力回収を可能とする断熱膨張機
能を持つ構成が好ましい。
【００１８】前記発明は、本発明に使用する二相流膨張
機の構造について記載したもので、前記超臨界状態にあ
るＣＯ２を液相と気相の二相に分離させる二相流膨張機
は、膨張タービンで形成され膨張の際はＣＯ２を断熱膨
張させるため、膨張媒体を約−５０℃に冷却させること
ができ、液化ＣＯ２の回収固定率を向上させる一方、再
気化の低温低圧ＣＯ２ガスの生成量を少なく抑えること
ができる。なお、膨張機作動時には直結した発電機を作
動させ動力回収ができるようにして省エネ化を図ってい
る。
【００１９】また、本発明の液化ＣＯ２・ドライアイス
の製造・貯蔵・利用システムにおける二相流膨張機は、
該膨張機の入口に超臨界ＣＯ２を導入する構成が好まし
い。
【００２０】前記発明は、前記二相流膨張機の作動時に
流入する超臨界ＣＯ２の状態を記載したもので、前記流
入するＣＯ２は前記冷熱により超臨界状態を形成維持し
ておるため、膨張機入口付近は気相と液相の入り交じっ
たＣＯ２分子は激しい運動状態にあるため吸入抵抗は小
さく且つ吸入後は激しく拡散し吸入拡散効率を上げるこ
とができる。
【００２１】また、本発明の第２の発明である液化ＣＯ
２・水素ガスの製造・貯蔵・利用システムは、工場排熱
ボイラにより駆動される蒸気タービンの蒸気の高温排熱
有効利用システムにおいて、夜間電力使用時における余
剰蒸気を使用して燃料の水蒸気改質手段を介しての高濃
度、高純度ＣＯ２ガスとＨ２ガスを得る構成とするとと
もに、前記改質の際の反応熱や工場等の低温反応系より
排出する低温排熱を使用して作動するケミカルヒートポ
ンプより得られる冷熱によりＣＯ２ガス冷却器を作動さ
せ、ＣＯ２液化サイクルの高温高圧冷媒の超臨界状態を
形成させ、該超臨界ＣＯ２を二相流膨張機を介して低圧
の液化ＣＯ２と低圧低温のＣＯ２ガスに分離して、前者
の液化ＣＯ２の冷却によりドライアイスを得て、後者の
低圧低温ＣＯ２ガスを前記ＣＯ２液化サイクルの冷媒に
再利用する構成としたことを特徴とする。
【００２２】前記発明は、本発明の第２の発明の液化Ｃ
Ｏ２・水素ガスの製造・貯蔵・利用システムについて記
載したもので、工場排熱の高温排熱には、排熱ボイラに
より駆動される蒸気タービンの夜間運転時における余剰
蒸気（約５００℃）または改質反応の反応熱を使用して
ＣＯ２ガス冷却器を作動させＣＯ２液化サイクルを形成
させ、液化ＣＯ２、ドライアイスの製造・貯蔵・利用を
可能とするとともに、前記ＣＯ２にメタンガスの水蒸気
改質手段により析出された前記高濃度ＣＯ２ガスの使用
と水素ガスの製造・貯蔵・利用を図ったものである。
【００２３】また、本発明の液化ＣＯ２・ドライアイス
の製造・貯蔵・利用システム及び液化ＣＯ２・水素の製
造・貯蔵・利用システムにおけるＣＯ２液化サイクルに
使用する作動媒体は、排ガスと高温排熱による化学吸収
法を介して得られた高濃度ＣＯ２ガスを使用する構成が
好ましい。
【００２４】前記発明は、本発明の液化ＣＯ２・ドライ
アイスの製造・貯蔵・利用システム及び液化ＣＯ２・水
素の製造・貯蔵・利用システムにおけるＣＯ２液化サイ
クルに使用する冷媒について記載したもので、この場合
は、排ガスにアルカノールアミンを接触、ＣＯ２に吸収
させた後、高温水蒸気を介して水分とＣＯ２に分解する
化学吸収法により得られたＣＯ２を使用している。
【００２５】また、本発明の第３の発明であるＣＯ２ガ
スを液化した液化ＣＯ２よりドライアイスを高収率のも
とに製造するドライアイス製造方法は、前記ＣＯ２ガス
を冷媒として使用して、圧縮機、ＣＯ２ガス冷却器によ
り過冷却状超臨界ＣＯ２を形成させ、前記過冷却状超臨
界ＣＯ２を、第１の気液分離減圧手段により低圧液化Ｃ
Ｏ２と低圧ＣＯ２ガスに分離させ、該低圧ＣＯ２ガスを
前記圧縮機に還流させてＣＯ ２液化サイクルを形成さ
せ、前記低圧液化ＣＯ２を、第２の気液分離減圧手段に
よりドライアイスの生成とともに低温ＣＯ２ガスを分離
させ、該低温ＣＯ２ガスを前記ＣＯ２液化サイクルに還
流させたことを特徴とする。
【００２６】前記発明は、ＣＯ２ガスより液化ＣＯ２を
形成し、形成した液化ＣＯ２よりドライアイスを高収率
で生成する手段に付いて記載したもので、ＣＯ２ガスを
冷媒として使用するＣＯ２液化サイクルを形成させ、形
成されたＣＯ２液化サイクルの気液分離減圧手段により
液化ＣＯ２を生成するとともに低圧ＣＯ２ガスを分離さ
せ、分離させた低圧ＣＯ２ガスは圧縮機に還流させてい
る。一方、前記生成された液化ＣＯ２は、別途設けた気
液分離減圧手段によりドライアイスを生成するとともに
低温ＣＯ２ガスを分離させ、分離された低温ＣＯ２ガス
は前記ＣＯ２液化サイクルで冷熱授受を行なった後圧縮
機に還流させている。則ち、本ドライアイス製造方法に
おいてはドライアイスの生成過程で派生するＣＯ２ガス
は全て圧縮機に還流させ、高効率の収率をあげ、従来シ
ステムの約３９％に対し約５１％の収率をあげている。
【００２７】前記本発明のドライアイス製造方法におけ
るＣＯ２ガス冷却器の冷熱源は、ＣＯ２ガス発生の際の
排熱を使用するのが好ましい。
【００２８】前記発明は、前記本発明のドライアイスの
製造方法におけるＣＯ２液化サイクルのＣＯ２ガス冷却
に使用する冷熱源の構成について記載したもので、工場
の廃ガス（５０〜１００℃）又は蒸気タービンよりの抽
気蒸気（１５０〜２００℃）等の低温排熱を利用したヒ
ートポンプにより得られた冷熱を使用する。
【００２９】また、前記ドライアイス製造方法における
気液分離減圧手段は、二相流膨張機を使用するのが好ま
しい。
【００３０】前記発明は、前記ドライアイス製造方法に
おけるＣＯ２液化サイクルの気液分離減圧手段及び液化
ＣＯ２よりのドライアイス生成過程に使用する気液分離
減圧手段の構成について記載したもので、断熱膨張によ
り気液を二相に分離する二相流膨張機を使用する。な
お、ＣＯ２液化サイクルの場合は絞り弁を使用しても良
い。
【００３１】また、前記ドライアイス製造方法における
ＣＯ２ガスは、ＣＯ２を副産物とする物質生産・改質プ
ロセスにより生成されたＣＯ２ガスを使用するのが好ま
しい。
【００３２】前記発明は、前記ドライアイス製造方法に
使用するＣＯ２ガスについて記載したもので、工場等で
排出されるＣＯ２ガス以外に物質生産・改質プロセスに
より例えば水蒸気改質により生成された副産物の高濃
度、高純度ＣＯ２ガスを使用しても良く、この場合は一
般粗ガスの使用の場合必要とする圧縮機前後の洗浄処
理、脱硫処理、精製処理、脱湿処理は不要となり設備コ
ストの低減化と省エネ化を図ることができる。また、新
エネルギとしてその生産拡大が重視されている水素ガス
の生成システムを、副産物のＣＯ２ガスの効率的回収に
より、より効率的に作動させることができる。
【００３３】そこで、前記第３の発明であるドライアイ
ス製造方法を利用した好適なドライアイス製造装置は、
ＣＯ２ガスを冷媒として使用するとともに、液化してド
ライアイスを製造する、圧縮機、ＣＯ２ガス冷却器、高
圧ＣＯ２液化タンク、ドライアイスプレス機よりなるド
ライアイス製造装置において、高圧ＣＯ２液化タンクと
ドライアイスプレス機との間に三重点圧力（５．２８Ｋ
ｇ／ｃｍ２ａｂｓ）以上の圧力でＣＯ２液を溜める低圧
ＣＯ２液化タンクを配設したことを特徴とする。
【００３４】また、前記ドライアイス製造装置におけ
る、高圧ＣＯ２液化タンクと低圧ＣＯ ２液化タンクとの
間に絞り膨張弁または二相流膨張機を設ける構成が好ま
しい。
【００３５】また、前記ドライアイス製造装置におけ
る、低圧ＣＯ２液化タンクは、該タンクに貯留する低圧
ＣＯ２ガスを圧縮機に還流させる戻り管路を設ける構成
が好ましい。
【００３６】前記高圧液化タンクの下流に三重点圧力
（５．２８Ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓ）以上の圧力で液を溜め
る低圧液化タンクを設けるとともに、その間に高段二相
流膨張機を設けてＣＯ２液化サイクルを形成させ、前記
高段二相流膨張機により過冷却状の超臨界ＣＯ２を気液
分離減圧を行い低圧タンクに貯留させ、該タンクの上部
より前記分離した低圧ＣＯ２ガスを圧縮機の中間ポート
へ導入して還流する構成にしてある。前記二相流膨張機
の配設により、超臨界ＣＯ２を断熱膨張させ、再気化Ｃ
Ｏ２の量を少なく抑え、液化効率の向上と高ＣＯ２回収
率を得ることができる。
【００３７】また、前記ドライアイス製造装置におけ
る、低圧ＣＯ２液化タンクは、該タンクとドライアイス
プレス機との間に低温ＣＯ２ガスを分離する二相流膨張
機を設ける構成が好ましい。
【００３８】前記発明は、前記ドライアイス製造装置に
おける前記低圧液化タンクとドライアイスプレス機との
間には、二相流膨張機を配設し該膨張機により気液分離
減圧をして高純度のドライアイスの生成を可能とすると
ともに、低温ＣＯ２ガスを分離して前記ＣＯ２液化サイ
クルの過冷却部へ導入して冷熱の授受を行なった後圧縮
機へ還流する構成にしてある。
【００３９】また、前記ドライアイス製造装置における
ＣＯ２ガスは、ＣＯ２を副産物とする物質生産・改質プ
ロセスにより生成された高濃度、高純正ＣＯ２ガスを使
用する構成が好ましい。
【００４０】前記発明はドライアイス製造装置に使用す
るＣＯ２ガスについて記載したもので、コプロダクショ
ン概念に基づく物質生産・改質プロセスにおいて副産物
として二酸化炭素を伴う反応系に適用して、高濃度、高
純度ＣＯ２ガスを原料として利用し、粗原料を使用した
従来工程で見られた脱湿、脱硫、精留等の前処理が簡素
化され設備コストの低減と、省エネ効果をあげるように
してある。
【００４１】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
る構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特
に特定的記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに
限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。図１
は、本発明の工場排熱を利用した液化ＣＯ２・ドライア
イス・水素の製造・貯蔵・利用システムの概略の構成を
示すブロック図で、図２は図１のＣＯ２液化サイクルの
モリエ線図である。図３は本発明のドライアイス製造装
置の概略の構成を示すブロック図で、図４は図３のＣＯ
２液化サイクルのモリエ線図である。
【００４２】図１に示すように、本発明の工場排熱を利
用した液化ＣＯ２・ドライアイス・水素の製造・貯蔵・
利用システムは、化学工場等の熱供給部３０に付設し
た、ケミカルヒートポンプ吸収式冷凍機１０と、燃料の
水蒸気改質手段２０と、化学吸収手段２３と、ＣＯ２液
化サイクル１１とより構成する。
【００４３】前記熱供給部３０は、記載していないガス
タービン（図３参照）の排熱の供給を受けて駆動する排
ガス５２ｂ（約５０〜１００℃）を排出する排熱ボイラ
５２と該ボイラ５２より駆動蒸気５２ａで作動する蒸気
タービン５０ａとよりなり、前記蒸気タービン５０ａか
らは昼間に抽気蒸気５０ｂ（１５０〜２００℃）及び前
記排ガス５２ｂを低温排ガスとしてケミカルヒートポン
プ１０へ供給するようにし、前記排ガスボイラ５２から
は夜間運転時に余剰になる駆動蒸気５２ａ（約５００
℃）を高温排ガスとして後記する燃料の水蒸気改質手段
２０と化学吸収手段２３へ供給し、それぞれ冷熱１０
ａ、高濃度、高純度ＣＯ２ガス２１、水素ガス２２が得
られるようにしてある。前記ケミカルヒートポンプ１０
には吸収式冷凍機を使用し約０〜５℃の冷熱を得るよう
にしてある。
【００４４】前記ＣＯ２液化サイクル１１は、圧縮機１
２とガス冷却器１３と二相流膨張機１４と気液分離器１
５とより構成され、前記水蒸気改質手段２０と化学吸収
手段２３により回収された高濃度、高純度ＣＯ２をＣＯ
２の臨界圧力以上に加圧して高圧高温冷媒１２ａを形成
し、ガス冷却器１３で前記冷熱１０ａを介して前記高圧
高温冷媒１２ａより凝縮熱を奪い、超臨界ＣＯ２を得る
ようにしてある。ついで、前記冷熱によりさらに過冷却
して約１０℃前後の超臨界状態を継続維持させたＣＯ２
ガス１３ａを二相流膨張機１４により気液二相に分離断
熱膨張させる。なお、前記二相流膨張機１４は、膨張タ
ービンで形成され膨張の際はＣＯ２を断熱膨張させるた
め、膨張媒体を約−５０℃に冷却させることができ、液
化ＣＯ ２の回収固定率を向上させる一方、再気化の低温
低圧ＣＯ２ガスの生成量を少なく抑えることができ、且
つ直結した発電機Ｇを作動させ動力回収ができるように
してある。
【００４５】斯くして、膨張機１４へ流入するＣＯ２は
超臨界状態が維持され気相と液相の入り交じった激しい
運動状態に置かれているため、吸入抵抗は小さく且つ吸
入後は激しく拡散して断熱膨張により気相と液相の二相
に分離されるとともに、約−５０℃に冷却され気液分離
器１５へ導入され下部に液相の液化二酸化炭素１６が貯
留される。なお、上部に分離された再気化した低温低圧
ＣＯ２ガス１５ａは圧縮機１２へ前記高濃度、高純度Ｃ
Ｏ２ガス２１とともに再度吸入圧縮される。
【００４６】また、前記液化二酸化炭素１６はドライア
イス１７を生成して、冷熱の貯蔵と、低温物流保管庫
（非フロン保冷庫）や食品工場向けプロセス冷却・空調
やケミカル工場向け冷却等に利用できる。
【００４７】図２には図１のＣＯ２液化サイクルのモリ
エ線図が示してある。図に見るように、点Ａで高濃度、
高純度ＣＯ２２１を圧縮機１２で吸入圧縮を開始する。
吸入ＣＯ２ガスは等エントロピ線に沿い断熱圧縮して点
ＢでＣＯ２臨界圧７．８３ＭＰａ以上に圧縮され超臨界
状態の高温高圧冷媒１２ａを形成する。ついで、高温高
圧冷媒１２ａはガス冷却器１３により冷却され、臨界点
Ｃ以下に冷却され約２０℃前後まで超臨界状態を継続す
る。ついで、点Ｄで二相流膨張機１４による気液二相分
離と断熱膨張により、点Ｅに至り液化ＣＯ２と低温低圧
ＣＯ２ガス１５ｂとに分離する。
【００４８】前記燃料の水蒸気改質手段２０は、図１に
示すようにメタン２０ａに前記排ガスボイラ５２より出
力する駆動水蒸気５２ａを加え水素ガス２２と高濃度、
高純度ＣＯ２を得るようにしてあり、また化学吸収手段
２３により排ガス５２ｂにアルカノールアミン２３ａを
反応させ、排ガス５２ｂより高濃度、高純度ＣＯ２ガス
２１を分離回収するようにして、前記ＣＯ２液化サイク
ル１１へ供給する以外に光合成用ＣＯ２等多彩な使用が
できる。
【００４９】図３には本発明のドライアイス製造装置の
概略構成を示すブロック図が示してある。本ドライアイ
ス製造装置は、図に見るように、圧縮機１２と、水冷却
器２６と、ＣＯ２ガス冷却器２７と、過冷却器２８と、
高圧ＣＯ２液化タンク２９と、低圧ＣＯ２液化タンク３
７と、該低圧ＣＯ２液化タンクとその上流の高圧ＣＯ２
液化タンクの間に設けた高段二相流膨張機３１とよりな
るＣＯ２液化サイクル３２と、前記低圧ＣＯ２液化タン
クの下流に設けた低段二相流膨張機３３とドライアイス
プレス機３４とよりなるドライアイス生成部３５とより
なる。
【００５０】従来から使用されていた原料ＣＯ２粗ガス
の代わりに、水蒸気改質により水素ガスの副産物（水素
ガスの２５％）のコプロ排出の高濃度、高純度ＣＯ２ガ
スを使用した場合に対応するドライアイス製造装置に係
わるもので、従来のＣＯ２粗ガスの使用の場合に必要と
された前処理用の圧縮前に行なう洗浄塔による洗浄処理
及び脱硫器による脱硫処理、及び圧縮後に行なう精製塔
による精製処理、脱湿器による脱湿処理を不要とし、圧
縮後その下流には高圧高温ＣＯ２ガスを冷却するための
冷却塔２６ａを付設した水冷却器２６、コプロダクショ
ンの排熱による作動するケミカルヒートポンプ（ＣＨ
Ｐ）２７ａを付設したＣＯ２ガス冷却器２７と、過冷却
器２８を配設する。なお、前記過冷却器２８の冷熱源に
は、後記する低段二相流膨張機３３により分離された約
−７５℃の低温ＣＯ２ガスを使用する。
【００５１】上記構成により、図４のモリエ線図上の点
Ａで導入されたコプロ排出ＣＯ２ガス（高濃度、高純
度）は、圧縮機１２により等エントロピ線に沿い断熱圧
縮して点Ｂで臨界圧７．８３ＭＰａ以上に圧縮され、超
臨界状態の高温高圧冷媒１２ａを形成する。ついで、高
温高圧冷媒１２ａは水冷却器２６、ＣＯ２ガス冷却器２
７、過冷却器２８により冷却され、臨界点Ｃ以下まで過
冷却の超臨界状態を継続する。ついで、点Ｄの高圧ＣＯ
２液化タンク２９を経由後高段二相流膨張機３１による
断熱膨張により気液二相に分離して、点Ｅで低圧ＣＯ２
液化タンク３７に導入され、三重点圧力以上（５．２８
Ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓ）の５．３Ｋｇ／ｃｍ ２の圧力で貯
留され、前記分離された−５６℃の低圧ＣＯ２ガス３０
ａは前記低圧ＣＯ２液化タンク３７の上部に設けた還流
路を介して点Ａを経由して圧縮機１２の中間ポートへ導
入還流されＣＯ２液化サイクル３２を形成する。
【００５２】上記低圧ＣＯ２液化タンク３７で三重点圧
力以上の圧力で貯留保持された液化ＣＯ２は、点Ｆで低
段二相膨張機３３により降圧してドライアイスプレス機
３４で固化され約−７８．５℃のドライアイス３６を生
成するとともに、前記減圧の際発生した低温ＣＯ２ガス
３４ａは前記過冷却器２８の熱交換器を経由後圧縮機１
２に再循環低温ＣＯ２ガスとして還流する。上記構成に
より、粗ＣＯ２ガスを原料に使用する従来のドライアイ
スシステムに比較して圧縮前後に使用する洗浄塔、脱硫
器、精製塔、脱湿器の設備は不必要となり設備コストの
削減を図ることが出来るとともに、ＣＯ２ガスの回収率
においても従来の３９．４％の低収率に対し５１．７％
の高収率をあげることができ、省エネ率も約５０％以上
の値を示している。なお、前記高段及び低段二相流膨張
機３１、３３には発電機Ｇを直結して動力回収も可能の
構成にしてある。
【００５３】
【発明の効果】上記構成により、本発明は下記効果を奏
する。低温排熱と、高温排熱とを利用して、冷熱への変
換と、高濃度ＣＯ２ガスの回収排出を行なわせたため、
負荷の変動に追従した操作を可能とするとともに、工場
排熱を高温低温に分けて適宜有効利用できる。前記回収
したＣＯ２ガスの液化には、ＣＯ２液化サイクルと前記
冷熱と二相流膨張機の使用により、前記超臨界ＣＯ２を
効率的に液相と液相に分離減圧して液化ＣＯ２、ドライ
アイスの製造を可能とし、冷熱の貯蔵利用を可能にして
いる。また、高効率のドライアイスの製造方法及び製造
装置の発明により、コプロダクションの視点から見ても
解放型ＣＯ２の回収・液化・冷熱供給システムにより、
保冷車や保管庫向け非フロン低温物流、食品工場や化学
工場向けプロセス冷却・空調、大規模ハウス栽培施設向
けＣＯ２供給などの幅広い需要拡大が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の工場排熱を利用した液化ＣＯ２・ド
ライアイス・水素の製造・貯蔵・利用システムの概略の
構成を示すブロック図である。
【図２】 図１のＣＯ２液化サイクルのモリエ線図であ
る。
【図３】 本発明のドライアイス製造装置の概略の構成
を示すブロック図である。
【図４】 図３のＣＯ２液化サイクルのモリエ線図であ
る。
【図５】 ガスタービンのコンバインド基本システムを
示す図である。
【図６】 従来の燃焼ガスの処理方法の一実施例を示す
ブロック図である。
【図７】 従来のドライアイス製造装置の概略の構成を
示す図である。
【図８】 従来の二酸化炭素の液化装置の概略の構成を
示す図である。
【図９】 従来のＣＯ２粗ガス使用の場合のドライアイ
ス製造装置の概略の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ ケミカルヒートポンプ １１ ＣＯ２液化サイクル １２ 圧縮機 １３、２７ ガス冷却器 １４ 二相流膨張機 １５ 気液分離器 １６ 液化二酸化炭素 １７、３６ ドライアイス ２０ 燃料の水蒸気改質手段 ２１ 高濃度ＣＯ２ガス ２２ 水素ガス ２３ 化学吸収手段 ２６ 水冷却器 ２８ 過冷却器 ２９ 高圧ＣＯ２液化タンク ３０ 熱供給部 ３０ａ 低圧ＣＯ２ガス ３１ 高段二相流膨張機 ３２ ＣＯ２液化サイクル ３３ 低段二相流膨張機 ３４ ドライアイスプレス機 ３４ａ 低温ＣＯ２ガス ３５ ドライアイス生成部 ３７ 低圧ＣＯ２液化タンク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２５Ｊ 1/00 Ｆ２５Ｊ 1/00 Ｄ (72)発明者 吉川 朝郁 東京都江東区牡丹２丁目13番１号 株式会 社前川製作所内 (72)発明者 鈴木 啓之 東京都江東区牡丹２丁目13番１号 株式会 社前川製作所内 Ｆターム(参考） 4D047 AA05 BA03 BA06 CA17 DA10 4G046 JA04 JB03 JB06 JB21 LA04 4G075 AA04 AA37 AA44 AA46 AA61 AA63 BB05 CA03 CA05 DA02

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 工場排熱を利用した液化ＣＯ２・ドライ
    アイスの製造・貯蔵・利用システムにおいて、 工場等の低温反応系より排出する低温排熱を使用して作
    動するケミカルヒートポンプより得られる冷熱によりＣ
    Ｏ２ガス冷却器を作動させ、ＣＯ２液化サイクルの高温
    高圧冷媒の超臨界状態を形成させ、超臨界ＣＯ２を二相
    流膨張機を介して低圧の液化ＣＯ２と低圧低温のＣＯ２
    ガスに分離して、前者の液化ＣＯ２の冷却によりドライ
    アイスを得るとともに、後者の低圧低温ＣＯ２ガスを前
    記ＣＯ２液化サイクルの冷媒に再利用する構成としたこ
    とを特徴とする液化ＣＯ２・ドライアイスの製造・貯蔵
    ・利用システム。
  2. 【請求項２】 前記二相流膨張機は直結する発電機によ
    り動力回収を可能とする断熱膨張機能を持つ構成とした
    ことを特徴とする請求項１記載の液化ＣＯ２・ドライア
    イスの製造・貯蔵・利用システム。
  3. 【請求項３】 前記二相流膨張機は、該膨張機の入口に
    超臨界ＣＯ２を導入する構成としたことを特徴とする請
    求項１記載の液化ＣＯ２・ドライアイスの製造・貯蔵・
    利用システム。
  4. 【請求項４】 工場排熱ボイラにより駆動される蒸気タ
    ービンの蒸気の高温排熱有効利用システムにおいて、 夜間電力使用時における余剰蒸気を使用して燃料の水蒸
    気改質手段を介しての高濃度、高純度ＣＯ２ガスとＨ２
    ガスを得る構成とするとともに、 前記改質の際の反応熱や工場等の低温反応系より排出す
    る低温排熱を使用して作動するケミカルヒートポンプよ
    り得られる冷熱によりＣＯ２ガス冷却器を作動させ、Ｃ
    Ｏ２液化サイクルの高温高圧冷媒の超臨界状態を形成さ
    せ、該超臨界ＣＯ２を二相流膨張機を介して低圧の液化
    ＣＯ２と低圧低温のＣＯ２ガスに分離して、前者の液化
    ＣＯ２の冷却によりドライアイスを得て、後者の低圧低
    温ＣＯ２ガスを前記ＣＯ２液化サイクルの冷媒に再利用
    する構成としたことを特徴とする液化ＣＯ２・水素の製
    造・貯蔵・利用システム。
  5. 【請求項５】 前記ＣＯ２液化サイクルに使用する作動
    媒体は、排ガスと高温排熱による化学吸収法を介して得
    られた高濃度ＣＯ２ガスを使用する構成としたことを特
    徴とする請求項１記載の液化ＣＯ２・ドライアイスの製
    造・貯蔵・利用システム及び請求項４記載の液化ＣＯ２
    ・水素の製造・貯蔵。利用システム。
  6. 【請求項６】 ＣＯ２ガスを液化してドライアイスを製
    造する製造方法において、 前記ＣＯ２ガスを冷媒として使用して、圧縮機、ＣＯ２
    ガス冷却器により過冷却状超臨界ＣＯ２を形成させ、 前記過冷却状超臨界ＣＯ２を、第１の気液分離減圧手段
    により低圧液化ＣＯ２と低圧ＣＯ２ガスに分離させ、該
    低圧ＣＯ２ガスを前記圧縮機に還流させてＣＯ ２液化サ
    イクルを形成させ、 前記低圧液化ＣＯ２を、第２の気液分離減圧手段により
    ドライアイスの生成とともに低温ＣＯ２ガスを分離さ
    せ、該低温ＣＯ２ガスを前記ＣＯ２液化サイクルに還流
    させたことを特徴とするドライアイス製造方法。
  7. 【請求項７】 前記ＣＯ２ガス冷却器の冷熱源はＣＯ２
    ガス発生の際の排熱を使用したことを特徴とする請求項
    ６記載のドライアイス製造方法。
  8. 【請求項８】 前記気液分離減圧手段は二相流膨張機を
    使用したことを特徴とする請求項６記載のドライアイス
    製造方法。
  9. 【請求項９】 前記ＣＯ２ガスは、ＣＯ２を副産物とす
    る物質生産・改質プロセスにより生成されたＣＯ２ガス
    を使用したことを特徴とする請求項６記載のドライアイ
    ス製造方法。
  10. 【請求項１０】 ＣＯ２ガスを冷媒として使用するとと
    もに、液化してドライアイスを製造する、圧縮機、ＣＯ
    ２ガス冷却器、高圧ＣＯ２液化タンク、ドライアイスプ
    レス機よりなるドライアイス製造装置において、高圧Ｃ
    Ｏ２液化タンクとドライアイスプレス機との間に三重点
    圧力（５．２８Ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓ）以上の圧力でＣＯ
    ２液を溜める低圧ＣＯ２液化タンクを配設したことを特
    徴とするドライアイス製造装置。
  11. 【請求項１１】 前記高圧ＣＯ２液化タンクと低圧ＣＯ
    ２液化タンクとの間に絞り膨張弁または二相流膨張機を
    設けたことを特徴とする請求項１０記載のドライアイス
    製造装置。
  12. 【請求項１２】 前記低圧ＣＯ２液化タンクより、該タ
    ンクに貯留する低圧ＣＯ２ガスを圧縮機に還流させる戻
    り管路を設けたことを特徴とする請求項１０記載のドラ
    イアイス製造装置。
  13. 【請求項１３】 前記低圧ＣＯ２液化タンクとドライア
    イスプレス機との間に低温ＣＯ２ガスを分離する二相流
    膨張機を設けたことを特徴とする請求項１０記載のドラ
    イアイス製造装置。
  14. 【請求項１４】 前記ＣＯ２ガスは、ＣＯ２を副産物と
    する物質生産・改質プロセスにより生成された高濃度、
    純正ＣＯ２ガスを使用したことを特徴とする請求項１０
    記載のドライアイス製造装置。
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