JP4213389B2 - Production, storage and utilization system for liquefied CO2 and dry ice and production, storage and utilization system for liquefied CO2 and hydrogen - Google Patents
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Description
【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CO2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CO2・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52a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/cm2abs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81、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、6Kg/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102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104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104cに接続され、同吐出口104dは高圧ガスライン107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109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、CO2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127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CO2副産物を伴う反応系における反応熱の回収及びCO2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、工場等より排出する50〜200℃の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、超臨界CO2を二相流膨張機を介して液化CO2 と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、CO2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の発明は、工場排熱を利用した液化CO 2 ・水素の製造・貯蔵・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より排出する50〜200℃の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液化CO2 と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CO2・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、
工場排熱ボイラからの排ガスと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】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【0033】
【0034】
【0035】
【0036】
【0037】
【0038】
【0039】
【0040】
【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CO2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5参照)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10a、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12とガス冷却器13と二相流膨張機14と気液分離器15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CO2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、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CO2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37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(CHP)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27、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CO2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(5.28Kg/cm2abs)の5.3Kg/cm2の圧力で貯留され、前記分離された−56℃の低圧CO2ガス30a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12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。
【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】 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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention uses exhaust heat from a chemical factory or the like to emit
Using low-temperature exhaust heat and high-temperature exhaust heat, conversion to cold and high concentration CO2Let the gas recover,
High concentration CO2Gas to CO2Used as a refrigerant for liquefaction cycle, the cold heat is used as CO2High pressure high temperature supercritical CO in liquefaction cycle2Liquefied CO used as a cooling heat source for2・ Dry ice production / storage / use system and liquefied CO2・ Hydrogen production / storage / use systemToRelated.
[0002]
[Prior art]
In recent years, from the viewpoint of global environmental problems, especially global warming prevention, effective use of low-temperature exhaust gas from factories, effective use of surplus night power, and CO2There are calls for reduction and recovery of gas emissions into the atmosphere.
CO2In order to reduce the amount of CO2 emissions, energy conservation and thermal power plants and other CO2CO emitted from facilities with large emissions2It is necessary to collect the gas and not release it to the atmosphere.
Recently, in large chemical factories and the like, cogeneration facilities equipped with electric power supply and heat supply have become widespread and waste heat is being collected. For example, a combined power generation cycle shown in FIG. 5 is used, a combined cycle in which a
[0003]
CO2In order to reduce the amount of CO2 emissions, energy conservation and thermal power plants and other CO2It is required that carbon dioxide forming a part of combustion exhaust gas discharged from a facility with a large discharge amount is concentrated and separated and recovered as gaseous, liquid, or solid dry ice. In response to this requirement, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-24454 discloses a proposal “method and apparatus for treating flue gas”.
The schematic configuration of the proposal will be described below with reference to FIG.
This apparatus relates to a combustion exhaust gas treatment method and apparatus for separating and recovering carbon dioxide in combustion exhaust gas after solidifying it as dry ice using LNG cold heat.
[0004]
The structure is composed of a moisture aggregating means 62 for aggregating moisture by cooling the moisture in the
[0005]
The above proposal is to effectively use the heat of vaporization of the LNG as a cold heat, solidified or separated moisture in the combustion exhaust gas as ice, and further solidified or liquefied the carbon dioxide gas in the combustion exhaust gas as dry ice. However, the use of fuel having such a large heat of vaporization is limited to a specific case, and there is a problem that cannot be applied when using general city gas.
[0006]
Other than the above, CO in combustion exhaust gas2As a method for separating a gas in a gaseous state, there is a proposal related to “a method for separating and collecting carbon dioxide” disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-59705.
In this proposal, carbon dioxide gas contained in the mixed gas is reduced in energy consumption required for separation and recovery by a method including a membrane separation step and a cryogenic separation step. Have issues such as equipment scale-up and cost.
[0007]
Next, as a dry ice manufacturing method, conventionally, liquefied CO is used.2The self-depressurized flash system is used to phase-transform the liquid at −20 ° C. to the dry ice at −78.5 ° C. to collect fine particles of dry ice, but the yield is low.
[0008]
As a means for solving the low yield, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-320213 discloses a new proposal for solving the problem.
This proposal is more than a triple point (5.28 Kg / cm) into a solidified container which is a piston cylinder.2liquefied CO compressed to abs or higher pressure)2Is continuously extracted.
The conventional self-flush method was made to solve the low yield, and almost all of the liquefied carbon dioxide injected into the cylinder was solidified, and the solidified dry ice was continuously drawn into the holding mechanism. However, the cylinder wall and solidified liquefied CO2There is a problem that it is difficult to set operating conditions.
[0009]
Another proposal for solving the problems of the above proposal is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-97419 as a proposal relating to a dry ice generation system.
In this proposal, as shown in FIG. 7, the liquefied carbon dioxide gas reaches the liquefied carbon dioxide
The path of the coolant circulation system S3 includes a coolant cooler 88, an
In the above configuration, the liquefied CO carried by the
[0010]
On the other hand, regarding a carbon dioxide liquefying apparatus, a proposal relating to a high-yield carbon dioxide liquefying apparatus in which raw material carbon dioxide is not released to the outside is disclosed in JP-A-10-59706. The proposal is shown in FIG.
A low
The
The other end of the high-
The other end of the
With the above configuration, the carbon dioxide gas compressed by the
When the gas phase pressure in the tank exceeds a predetermined value due to the liquefied carbon dioxide being fed into the tank, the carbon dioxide gas is recirculated to the suction side of the compressor via the return gas line by a signal from the
[0011]
Further, in the conventional dry ice production process including carbon dioxide liquefaction, as shown in FIG. 9, the cleaning process by the
In the conventional dry ice production system, since the raw material is a crude gas, the equipment costs of the
Therefore, there is a demand for realizing a high-yield dry ice production method with high energy saving and an apparatus therefor while keeping the facility cost low.
[0012]
In particular, hydrogen energy is regarded as important as a new energy that suppresses the consumption of energy and substances and suppresses the emission of environmental pollutants, because it compensates for the disadvantages of natural energy such as wind power, solar dilution, and temporal variability. In particular, in order to make it possible to use a large amount of the hydrogen energy, it is strongly required to implement measures for efficiently recovering carbon dioxide in which 25% of the hydrogen energy is generated as a by-product by the reforming reaction.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above problems,
Using low-temperature exhaust heat and high-temperature exhaust heat, conversion to cold and high concentration CO2In addition to allowing gas to be collected and discharged, CO2Recovery of reaction heat and CO in reaction systems with by-products2Enables high yield recovery of gas,
Liquefied CO2・ Dry ice manufacturing, storage and utilization system and CO2・ Hydrogen production / storage / use systemOfIt is for the purpose of provision.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the liquefied CO using the factory waste heat which is the first invention of the present invention.2・ In the production, storage and use system of dry ice,Etc.Discharge50-200 ° CThe cold heat obtained from a chemical heat pump that operates using low-temperature exhaust heat produces CO2Activate the gas cooler, CO2The supercritical state of the high-temperature and high-pressure refrigerant in the liquefaction cycle is formed, and the supercritical CO2Through a two-phase flow expanderLiquidCO2 And CO2Separated into gas, the former liquefied CO2The dry ice is obtained by cooling theCO2Gas to CO2It is characterized by being configured to be reused as a refrigerant for a liquefaction cycle.
[0015]
The invention uses the low-temperature exhaust heat (about 50 to 100 ° C.) that forms the factory exhaust heat, which is the object of the present invention, and the high-temperature exhaust heat (about 500 ° C.) due to the bleed steam at night to convert into cold heat. And high concentration CO2Let the gas be collected and discharged separately,
The recovered high concentration CO2Gas to CO2Used as a refrigerant for liquefaction cycle, the cold heat is used as CO2CO via gas cooler2Used to cool high temperature gas in liquefaction cycle, supercritical CO2The above-described cold heat and high concentration CO2The gas can be supplied in a balanced manner and the efficient use of highly efficient exhaust heat is achieved.
[0016]
The liquefied CO2To obtain the high concentration CO2CO2 compressor using gas as refrigerant2CO including gas cooler, gas-liquid separation and decompression means, etc.2A liquefaction cycle is formed, and the cold heat causes the CO2Activate the gas cooler and place the high-temperature and high-pressure refrigerant from the compressor in the supercritical state.2The liquid phase and the gas phase are mixed and constantly transformed to maintain a state where no phase boundary exists. CO in its supercritical state2Is separated into a liquid phase and a gas phase by interposing a two-phase flow expander which is a gas-liquid separation decompression means, and liquefied CO2As a result, dry ice is obtained, and cold storage and use are possible.
Note that the low-pressure low-temperature CO formed during the gas-liquid separation and decompression2The gas is the high concentration CO2Inhaled into the compressor along with gas, CO2Reused in liquefaction cycle.
[0017]
The liquefied CO of the present invention2-It is preferable that the two-phase flow expander in the dry ice production / storage / use system has an adiabatic expansion function that enables power recovery by a directly connected generator.
[0018]
The invention describes the structure of the two-phase flow expander used in the present invention, and the CO in the supercritical state is described.2A two-phase flow expander that separates the liquid into two phases, the liquid phase and the gas phase, is formed by an expansion turbine.2In order to adiabatic expansion, the expansion medium can be cooled to about −50 ° C.2While improving the recovery and fixing rate of low-temperature, low-pressure low-pressure CO2The amount of gas generated can be reduced.
When the expander is in operation, energy is saved by operating a directly connected generator so that power can be recovered.
[0019]
The liquefied CO of the present invention2-The two-phase flow expander in the dry ice production, storage and utilization system is equipped with supercritical CO at the inlet of the expander.2The structure which introduce | transduces is preferable.
[0020]
The invention relates to a supercritical CO that flows in during the operation of the two-phase flow expander.2In which the inflowing CO2Since the supercritical state is formed and maintained by the cold heat, the vicinity of the expander inlet is a mixture of gas phase and liquid phase.2Since the molecules are in a state of intense exercise, the inhalation resistance is small, and after inhalation, the molecules diffuse violently to increase the inhalation diffusion efficiency.
[0021]
The second invention of the present inventionIs liquefied CO using factory waste heat 2 ・ Production and storage of hydrogenIn the usage system,
High concentration, high purity CO via steam reforming means of fuel using surplus steam when using nighttime power2Gas and H2It is configured to obtain gas,
Reaction heat and factory during the reformingEtc.Discharge50-200 ° CThe cold heat obtained from a chemical heat pump that operates using low-temperature exhaust heat produces CO2Activate the gas cooler, CO2Forming a supercritical state of the high-temperature and high-pressure refrigerant in the liquefaction cycle,2Through a two-phase flow expanderLiquidCO2 And CO2Separated into gas, the former liquefied CO2The dry ice is obtained by cooling the latterCO2Gas to CO2It is characterized by being configured to be reused as a refrigerant for a liquefaction cycle.
[0022]
The above invention is the liquefied CO of the second invention of the present invention.2・ It describes the production, storage, and utilization system of hydrogen gas.
For the high-temperature exhaust heat of the factory exhaust heat, excess steam (about 500 ° C) during night operation of the steam turbine driven by the exhaust heat boiler or the reaction heat of the reforming reaction is used.2Activate the gas cooler and CO2Form liquefaction cycle, liquefied CO2, Enables the production, storage and use of dry ice and the CO2The high concentration CO deposited on the methane gas by steam reforming means2The use of gas and the production, storage, and utilization of hydrogen gas.
[0023]
The liquefied CO of the present invention2・ Dry ice production / storage / use system and liquefied CO2・ CO in hydrogen production, storage, and utilization systems2The working medium used for the liquefaction cycle is
By exhaust gas and waste heat from factory waste heat boilerHigh concentration CO obtained through chemical absorption method2A configuration using gas is preferred.
[0024]
The invention is based on the liquefied CO of the present invention.2・ Dry ice production / storage / use system and liquefied CO2・ CO in hydrogen production, storage, and utilization systems2It describes the refrigerant used in the liquefaction cycle,
In this case, alkanolamine is contacted with the exhaust gas, CO2After being absorbed into water and CO through high-temperature steam.2Obtained by chemical absorption method that decomposes into CO2Is used.
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified. .
FIG. 1 shows liquefied CO using factory waste heat of the present invention.2A block diagram showing a schematic configuration of a dry ice / hydrogen production / storage / utilization system. FIG.2It is a Mollier diagram of a liquefaction cycle.
FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the dry ice production apparatus of the present invention, and FIG.2It is a Mollier diagram of a liquefaction cycle.
[0042]
As shown in FIG. 1, liquefied CO using the factory waste heat of the present invention.2A dry ice / hydrogen production / storage / utilization system includes a chemical heat
[0043]
The
The
[0044]
CO2The
Next, CO was further supercooled by the cold and continuously maintained in a supercritical state at about 10 ° C.2The
The two-
[0045]
Thus, the CO flowing into the
[0046]
Further, the liquefied
[0047]
FIG. 2 shows the CO of FIG.2A Mollier diagram of the liquefaction cycle is shown.
As shown in the figure, at point A, high concentration,
[0048]
As shown in FIG. 1, the fuel
[0049]
In FIG.IsThe block diagram which shows schematic structure of a rye ice manufacturing apparatus is shown. As shown in the figure, this dry ice production device
Low pressure CO2It comprises a dry ice production unit 35 comprising a low-stage two-
[0050]
Raw material CO used in the past2Instead of crude gas, high-concentration, high-purity CO by co-emission of hydrogen gas by-product (25% of hydrogen gas) by steam reforming2It is related to dry ice production equipment corresponding to the case of using gas,
Conventional CO2Eliminates the need for washing treatment by a washing tower and desulfurization treatment by a desulfurizer before compression for pretreatment, and purification treatment by a purification tower to be performed after compression, and dehumidification treatment by a dehumidifier, which are required when using crude gas. And after compression, high pressure and high temperature CO2A water cooler 26 provided with a
The cooling source of the supercooler 28 includes a low-temperature CO of about −75 ° C. separated by a low-stage two-
[0051]
With the above configuration, COPRO emission CO introduced at point A on the Mollier diagram of FIG.2The gas (high concentration and high purity) is adiabatically compressed along the isentropic line by the
[0052]
Low pressure CO2Liquefied CO stored and held in the liquefaction tank 37 at a pressure higher than the triple point pressure2Is reduced in pressure by a low-stage two-
With the above configuration, crude CO2Compared to conventional dry ice systems that use gas as a raw material, the equipment for washing towers, desulfurizers, refining towers, and dehumidifiers used before and after compression is not necessary, and the equipment cost can be reduced.2As for the gas recovery rate, a high yield of 51.7% can be raised compared with the conventional low yield of 39.4%, and the energy saving rate also shows a value of about 50% or more.
The high-stage and low-stage two-
[0053]
【The invention's effect】
With the above configuration, the present invention has the following effects.
Using low-temperature exhaust heat and high-temperature exhaust heat, conversion to cold and high concentration CO2Since the gas is collected and discharged, it is possible to perform an operation following the fluctuation of the load, and the factory exhaust heat can be divided into high and low temperatures and effectively used as appropriate.
The recovered CO2For gas liquefaction, CO2By using a liquefaction cycle, the cold and a two-phase flow expander, the supercritical CO2Is efficiently separated into a liquid phase and a liquid phase under reduced pressure to reduce liquefied CO2Enables the production of dry ice and enables the use of cold storageYes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 Liquefied CO using factory waste heat of the present invention2FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a dry ice / hydrogen production / storage / use system.
FIG. 2 shows CO in FIG.2It is a Mollier diagram of a liquefaction cycle.
[Fig. 3]DoIt is a block diagram which shows the schematic structure of a rye ice manufacturing apparatus.
FIG. 4 CO in FIG.2It is a Mollier diagram of a liquefaction cycle.
FIG. 5 is a diagram showing a combined basic system of a gas turbine.
FIG. 6 is a block diagram showing an embodiment of a conventional combustion gas processing method.
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional dry ice manufacturing apparatus.
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional carbon dioxide liquefaction apparatus.
FIG. 9 shows conventional CO2It is a block diagram which shows the schematic structure of the dry ice manufacturing apparatus in the case of using crude gas.
[Explanation of symbols]
10 Chemical heat pump
11 CO2Liquefaction cycle
12 Compressor
13, 27 Gas cooler
14 Two-phase flow expander
15 Gas-liquid separator
16 Liquefied carbon dioxide
17, 36 Dry ice
20 Fuel steam reforming means
21 High concentration CO2gas
22 Hydrogen gas
23 Chemical absorption means
26 Water cooler
28 Supercooler
29 High pressure CO2Liquefaction tank
30 Heat supply section
30a Low pressure CO2gas
31 High-stage two-phase flow expander
32 CO2Liquefaction cycle
33 Low-stage two-phase flow expander
34 Dry ice press machine
34a Low temperature CO2gas
35 Dry ice generator
37 Low pressure CO2Liquefaction tank
Claims (5)
工場等より排出する50〜200℃の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、超臨界CO2を二相流膨張機を介して液化CO2 と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。In the production, storage, and utilization system of liquefied CO 2 and dry ice using factory waste heat,
The CO 2 gas cooler is operated by the cold heat obtained from the chemical heat pump that operates using low-temperature exhaust heat of 50 to 200 ° C. discharged from factories, etc., and the supercritical state of the high-temperature and high-pressure refrigerant in the CO 2 liquefaction cycle is formed. , supercritical CO 2 is separated into liquefied CO 2 and C O 2 gas through the two-phase flow expander, wherein with obtaining a dry ice the latter C O 2 gas by cooling the former liquefied CO 2 A system for producing, storing and utilizing liquefied CO 2 / dry ice, characterized in that it is configured to be reused as a refrigerant for a CO 2 liquefaction cycle.
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より排出する50〜200℃の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液化CO2 と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。In the production, storage, and utilization system of liquefied CO 2 and hydrogen using factory waste heat,
High concentration through a steam reforming unit of the fuel by using the excess steam during the night power use, with a configuration to obtain a high-purity CO 2 gas and H 2 gas,
The CO 2 gas cooler is operated by the cold heat obtained from the chemical heat pump that operates using the heat of reaction and the low-temperature exhaust heat of 50 to 200 ° C. discharged from the factory during the reforming, and the high temperature of the CO 2 liquefaction cycle to form a supercritical state of high-pressure refrigerant, the supercritical CO 2 is separated into liquefied CO 2 and C O 2 gas through the two-phase flow expander, to give the dry ice by cooling the former liquefied CO 2 Te, liquefied CO 2, hydrogen production, storage and utilization system, characterized in that the latter C O 2 gas was configured to reuse the refrigerant of the CO 2 liquefaction cycles.
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