WO2024214574A1

WO2024214574A1 - 液化炭酸ガスの製造設備、および液化炭酸ガスの製造方法

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Publication number: WO2024214574A1
Application number: PCT/JP2024/013154
Authority: WO
Inventors: 貴紀貝川; 大成前原; 耕治田中
Original assignee: エア・ウォーター株式会社
Priority date: 2023-04-12
Filing date: 2024-03-29
Publication date: 2024-10-17
Also published as: JP2024151444A

Abstract

液化炭酸ガスの製造設備（１００）は、可燃物を燃焼させるための燃焼設備（２００）と、酸素を発生させるための発生装置（３００）と、燃焼設備（２００）で可燃物を燃焼させることで発生した燃焼ガスを燃焼設備（２００）に戻すとともに酸素を燃焼設備（２００）に供給するための供給機構（４００）と、燃焼設備（２００）で発生した燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造するための製造装置（５００）とを備える。

Description

液化炭酸ガスの製造設備、および液化炭酸ガスの製造方法

　本開示は、液化炭酸ガスの製造設備、および液化炭酸ガスの製造方法に関する。

　液化炭酸ガスは、たとえば、製油所などで発生する副生ガスから製造される。近年、ガソリンや重油の需要量が減っているため、製油所の稼働率も低下している。それに伴って、液化炭酸ガスの生産量も減少しており、供給が逼迫している。

　一方で、木質バイオマス発電所やごみ焼却炉などの燃焼設備では、多量の炭酸ガス（二酸化炭素，ＣＯ_２）が発生する。しかしながら、燃焼設備で発生する燃焼ガス中の炭酸ガス濃度は、１０％程度である。炭酸ガス濃度が低い燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造するためには、大型の設備が必要となる。

　これに関して、特開２００５－０８３６４３号公報（特許文献１）は、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度が上がる燃焼方法を開示している。当該燃焼方法では、純度の高い酸素ガスと純度の高い炭酸ガスとの混合ガスが燃焼炉に供給される。炭酸ガスは、炭酸ガスボンベから供給される。特許文献１には、混合ガス中の炭酸ガス濃度が６７．９％であるのに対して、当該混合ガスを燃焼させることで発生する燃焼ガス中の炭酸ガス濃度は９５．５６％であることが開示されている。

特開２００５－０８３６４３号公報

　特許文献１に開示される燃焼方法は、炭酸ガスボンベから炭酸ガスを供給することで燃焼炉での燃焼効率を改善することを目的としており、液化炭酸ガスを製造することを目的としていない。そのため、特許文献１に開示される燃焼方法では、液化炭酸ガスの不足に対応することができない。したがって、従来とは異なる方法で液化炭酸ガスを製造することが可能な技術が望まれている。

　本開示の一例では、液化炭酸ガスの製造設備が提供される。当該製造設備は、可燃物を燃焼させるための燃焼設備と、酸素を発生させるための発生装置と、上記燃焼設備で上記可燃物を燃焼させることで発生した燃焼ガスを上記燃焼設備に戻すとともに上記酸素を上記燃焼設備に供給するための供給機構と、上記燃焼設備で発生した燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造するための製造装置とを備える。

　本開示の一例では、上記供給機構は、上記燃焼設備と上記製造装置とを接続している第１配管と、上記燃焼設備と上記発生装置とを接続している第２配管と、上記第１配管から分岐しており、上記第２配管に接続されている第３配管とを含む。

　本開示の一例では、上記製造設備は、さらに、上記燃焼ガスの炭酸ガス濃度を検出するためのセンサと、上記第１配管および上記第３配管の分岐点と上記製造装置との間における流路を開閉可能に構成されるバルブと、上記バルブを制御する制御部とを備える。上記制御部は、上記炭酸ガス濃度が所定値以上になったときに上記流路を閉状態から開状態にするように上記バルブを制御する。

　本開示の一例では、上記供給機構は、上記燃焼設備が上記可燃物の燃焼を開始してから所定時間後に、上記燃焼設備への上記酸素の供給を開始するように構成されている。

　本開示の一例では、上記発生装置は、深冷分離法により空気から上記酸素を製造する深冷分離装置である。

　本開示の一例では、上記深冷分離装置は、深冷分離法により上記空気から液体酸素と液体アルゴンと液体窒素との少なくとも１つをさらに製造するように構成されている。

　本開示の一例では、上記発生装置は、吸着分離法により空気から上記酸素を製造する吸着分離装置である。

　本開示の他の例では、液化炭酸ガスの製造方法が提供される。当該製造方法は、燃焼設備で可燃物を燃焼させる工程と、酸素を発生させる工程と、上記燃焼設備で上記可燃物を燃焼させることで発生した燃焼ガスを上記燃焼設備に戻すとともに上記酸素を上記燃焼設備に供給する工程と、上記燃焼設備で発生した燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造する工程とを備える。

　本発明の上記および他の目的、特徴、局面および利点は、添付の図面と関連して理解される本発明に関する次の詳細な説明から明らかとなるであろう。

製造設備の構成の一例を示す図である。燃焼ガスを循環させる工程を表わす図である。燃焼設備での燃焼ガスが製造装置に送られる工程を表わす図である。制御部のハードウェア構成の一例を示す模式図である。深冷分離装置の装置構成の一例を示す図である。吸着分離装置の装置構成の一例を示す図である。供給機構の装置構成を説明するための図である。混合機構の断面を示す図である。製造装置の装置構成の一例を示す図である。製造装置の装置構成の一例を示す図である。製造設備の制御処理の流れを示すフローチャートである。シミュレーション結果をグラフで示す図である。

　以下、図面を参照しつつ、本発明に従う各実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、これらについての詳細な説明は繰り返さない。なお、以下で説明される各実施の形態および各変形例は、適宜選択的に組み合わされてもよい。

　＜Ａ．製造設備１００＞
　まず、図１を参照して、液化炭酸ガスの製造設備１００について説明する。図１は、製造設備１００の構成の一例を示す図である。

　図１に示されるように、製造設備１００は、燃焼設備２００と、酸素発生装置３００と、供給機構４００と、製造装置５００とを含む。

　燃焼設備２００は、可燃物を燃焼させるための設備である。一例として、燃焼設備２００は、木質チップを可燃物として燃焼させる木質バイオマス発電所である。他の例として、燃焼設備２００は、ゴミを可燃物として燃焼させるゴミ焼却炉である。可燃物が燃焼することで、排ガスである燃焼ガスが燃焼設備２００から発生する。

　酸素発生装置３００は、酸素ガスを発生させるための装置である。一例として、酸素発生装置３００は、深冷分離法により空気から酸素ガスを製造する深冷分離装置である。酸素発生装置３００の詳細については後述する。

　供給機構４００は、燃焼設備２００で可燃物を燃焼させることで発生した燃焼ガスを燃焼設備２００に戻すとともに、酸素発生装置３００で発生させた酸素ガスを燃焼設備２００に供給するための機構である。すなわち、供給機構４００は、燃焼ガスと酸素ガスとの混合ガスを燃焼設備２００に供給する。当該混合ガスが燃焼設備２００に供給され続けることで、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度が高められる。

　製造装置５００は、燃焼設備２００で発生した燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造するための装置である。製造装置５００は、炭酸ガス濃度が高められた燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造する。

　液化炭酸ガスは、たとえば、ボンベや低温容器などに充填された上で製品として出荷される。あるいは、液化炭酸ガスは、ドライアイスや化成品などの製造に利用されてもよい。

　以上のように、製造設備１００は、燃焼設備２００で発生した燃焼ガスを利用して、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度を上げる。すなわち、製造設備１００は、ボンベなどから炭酸ガスを供給すること無く、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度を上げることができる。これにより、純度の高い液化炭酸ガスが製造される。

　また、炭酸ガス濃度が高められた燃焼ガスが製造装置５００に送られるため、製造装置５００での液化炭酸ガスの製造が容易になる。結果として、製造装置５００の構成を単純化することができ、製造装置５００の設備規模を小さくすることができる。

　なお、混合ガスの供給機構４００には任意の機構が採用され得る。一例として、供給機構４００は、配管Ｆ１～Ｆ３などで構成される。

　配管Ｆ１（第１配管）は、燃焼設備２００と製造装置５００とを接続している。配管Ｆ１は、燃焼ガスを燃焼設備２００から製造装置５００に導くことが可能な構成であればよく、単一の配管で構成されていてもよいし、複数の配管で構成されていてもよい。

　配管Ｆ２（第２配管）は、燃焼設備２００と酸素発生装置３００とを接続している。配管Ｆ２は、酸素発生装置３００から燃焼設備２００に酸素ガスを導くことが可能な構成であればよく、単一の配管で構成されていてもよいし、複数の配管で構成されていてもよい。

　配管Ｆ３（第３配管）は、配管Ｆ１上の分岐点Ｐ１から分岐しており、配管Ｆ２上の分岐点Ｐ２に接続されている。配管Ｆ３が配管Ｆ１上の分岐点Ｐ１と配管Ｆ２上の分岐点Ｐ２とを接続することで、燃焼ガスを製造設備１００内で循環させるための流路が形成される。なお、配管Ｆ３は、単一の配管で構成されていてもよいし、複数の配管で構成されていてもよい。

　燃焼設備２００で発生した燃焼ガスは、配管Ｆ１、配管Ｆ３および配管Ｆ２の順に流れ、燃焼設備２００に戻される。一方で、酸素発生装置３００で発生した酸素ガスは、配管Ｆ２を介して燃焼設備２００に供給される。これにより、供給機構４００は、燃焼ガスと酸素ガスとの混合ガスを燃焼設備２００に供給し続ける。

　＜Ｂ．バルブ制御＞
　次に、図２および図３を参照して、燃焼ガスを循環させる工程から液化炭酸ガスを製造する工程に切り換えるタイミングについて説明する。図２は、燃焼ガスを循環させる工程Ｓ１を表わす図である。図３は、燃焼設備２００での燃焼ガスが製造装置５００に送られる工程Ｓ２を表わす図である。

　製造設備１００は、燃焼ガスの流れを制御するための構成として、濃度センサ２０と、バルブ３０と、制御部５０とを含む。

　濃度センサ２０は、燃焼設備２００で発生した燃焼ガス中の炭酸ガス濃度を検出するためのセンサである。濃度センサ２０は、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度を検出可能な任意の位置に設置され得る。図３の例では、濃度センサ２０は、燃焼設備２００と分岐点Ｐ１との間における配管Ｆ１上に設けられている。他の例として、濃度センサ２０は、配管Ｆ３上に設けられてもよい。濃度センサ２０によって検出された炭酸ガス濃度は、制御部５０に出力される。

　なお、濃度センサ２０の種類は、特に限定されない。一例として、濃度センサ２０は、ＮＤＩＲ（Non-Dispersive Infrared）式のセンサである。他の例として、濃度センサ２０は、光音響式のセンサである。

　バルブ３０は、分岐点Ｐ１と製造装置５００との間における流路を開閉可能に構成される。バルブ３０は、製造装置５００への燃焼ガスの供給を阻止することが可能な任意の位置に設置され得る。図３の例では、バルブ３０は、分岐点Ｐ１と製造装置５００との間における配管Ｆ１上に設けられている。

　バルブ３０は、制御部５０からの制御指令に応じて、開状態と閉状態との少なくとも２つの状態の間で切り換え可能に構成される。バルブ３０の開度は、調整可能であってもよいし、一定であってもよい。

　バルブ３０が閉状態である場合、製造装置５００への燃焼ガスの供給が阻止される。この場合、燃焼設備２００で発生した燃焼ガスは、配管Ｆ１→配管Ｆ３→配管Ｆ２→燃焼設備２００の順で循環する。一方で、バルブ３０が開状態である場合には、燃焼ガスは、分岐点Ｐ１から製造装置５００に送られる。

　制御部５０は、濃度センサ２０によって検出された炭酸ガス濃度に応じてバルブ３０の開閉を制御する。制御部５０の装置構成は、任意である。制御部５０は、単体の制御ユニットで構成されてもよいし、複数の制御ユニットで構成されてもよい。一例として、制御部５０は、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）である。

　工程Ｓ１において、制御部５０は、濃度センサ２０から炭酸ガス濃度を逐次的に取得する。このとき、炭酸ガス濃度は、所定閾値以下であるとする。この場合、制御部５０は、燃焼ガスが製造装置５００に流れないようにバルブ３０を閉状態にする。

　次に、工程Ｓ２において、濃度センサ２０によって検出された炭酸ガス濃度が所定閾値を超えたとする。当該閾値は、８０％以上で９５％以下の値である。制御部５０は、炭酸ガス濃度が所定閾値を超えた場合に、分岐点Ｐ１と製造装置５００との間における流路を閉状態から開状態にするようにバルブ３０を制御する。これにより、燃焼ガスが製造装置５００に供給される。製造装置５００は、供給された燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造する。

　＜Ｃ．ハードウェア構成＞
　次に、図４を参照して、上述の図２，図３に示される制御部５０のハードウェア構成について順に説明する。図４は、制御部５０のハードウェア構成の一例を示す模式図である。

　制御部５０は、制御回路１０１と、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）１０２と、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）１０３と、通信インターフェイス１０４と、補助記憶装置１２０とを含む。これらのコンポーネントは、バス１１０に接続される。

　制御回路１０１は、たとえば、少なくとも１つの集積回路によって構成される。集積回路は、たとえば、少なくとも１つのＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、少なくとも１つのＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、少なくとも１つのＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）、少なくとも１つのＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）、またはそれらの組み合わせなどによって構成され得る。

　制御回路１０１は、制御プログラム１２２などの各種プログラムを実行することで制御部５０の動作を制御する。制御プログラム１２２は、上述の図２および図３に示される各工程を実現するためのプログラムである。制御回路１０１は、制御プログラム１２２の実行命令を受け付けたことに基づいて、補助記憶装置１２０またはＲＯＭ１０２からＲＡＭ１０３に制御プログラム１２２を読み出す。ＲＡＭ１０３は、ワーキングメモリとして機能し、制御プログラム１２２の実行に必要な各種データを一時的に格納する。

　通信インターフェイス１０４は、フィールドネットワークを用いて外部機器と定周期通信を行なうためのインターフェイスである。当該外部機器は、たとえば、上述の濃度センサ２０と、上述のバルブ３０とを含む。フィールドネットワークとしては、たとえば、ＥｔｈｅｒＣＡＴ（登録商標）、ＥｔｈｅｒＮｅｔ／ＩＰ（登録商標）、ＣＣ－Ｌｉｎｋ（登録商標）、またはＣｏｍｐｏＮｅｔ（登録商標）などが採用される。

　補助記憶装置１２０は、たとえば、ハードディスクやフラッシュメモリなどの記憶媒体である。補助記憶装置１２０は、制御プログラム１２２などを格納する。なお、制御プログラム１２２の格納場所は、補助記憶装置１２０に限定されず、制御回路１０１の記憶領域（たとえば、キャッシュメモリなど）、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、外部機器（たとえば、サーバー）などに格納されていてもよい。

　制御プログラム１２２は、単体のプログラムとしてではなく、任意のプログラムの一部に組み込まれて提供されてもよい。この場合、本実施の形態に従う各種の処理は、任意のプログラムと協働して実現される。このような一部のモジュールを含まないプログラムであっても、本実施の形態に従う制御プログラム１２２の趣旨を逸脱するものではない。さらに、制御プログラム１２２によって提供される機能の一部または全部は、専用のハードウェアによって実現されてもよい。さらに、少なくとも１つのサーバーが制御プログラム１２２の処理の一部を実行する所謂クラウドサービスのような形態で制御部５０が構成されてもよい。

　＜Ｄ．燃焼設備２００＞
　次に、上述の図１に示される燃焼設備２００についてさらに詳細に説明する。

　上述のように、燃焼設備２００は、可燃物を燃焼させるための設備である。一例として、燃焼設備２００は、木質チップを可燃物として燃焼させる木質バイオマス発電所である。

　木質バイオマス発電所としての燃焼設備２００は、たとえば、燃焼炉およびボイラなどで構成される。燃焼炉は、投入された木質チップを燃やすことで高温の燃焼ガスを発生させる。ボイラは、当該高温の燃焼ガスから排熱するとともに、その排熱を利用して水を蒸気に変化させる。当該蒸気は、発電に利用される。一例として、燃焼設備２００は、発生した蒸気を利用してタービンを回転させ、電力を発生させる。排熱された燃焼ガスは、配管Ｆ１に送られる。

　＜Ｅ．酸素発生装置３００＞
　次に、図５および図６を参照して、上述の図１に示される酸素発生装置３００についてさらに説明する。

　上述のように、酸素発生装置３００は、酸素ガスを発生するための装置である。酸素発生装置３００の種類は特に限定されず、酸素ガスを発生させることが可能な任意の装置が酸素発生装置３００に採用され得る。

　一例として、酸素発生装置３００は、深冷分離法により空気から酸素ガスを製造する装置であってもよいし、吸着分離法により空気から酸素ガスを製造する装置であってもよいし、膜分離法により空気から酸素ガスを製造する装置であってもよい。

　以下では、深冷分離装置および吸着分離装置について順に説明する。

　（Ｅ１．深冷分離装置３００Ａ）
　まず、図５を参照して、酸素発生装置３００の一例である深冷分離装置３００Ａについて説明する。図５は、深冷分離装置３００Ａの装置構成の一例を示す図である。

　深冷分離装置３００Ａは、空気に含まれる各種気体（たとえば、酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガスなど）の沸点の違いを利用して、空気から酸素ガスなどを分離する。このような分離方法は、深冷分離法と呼ばれている。

　一例として、深冷分離装置３００Ａは、フィルタ３０２と、圧縮機３０４と、吸着器３０８と、熱交換器３１０と、精留塔３１２と、アルゴン精製装置３１４とで構成されている。

　まず、深冷分離装置３００Ａに取り込まれた空気は、フィルタ３０２に送られる。フィルタ３０２は、取り込まれた空気から不純物を除去する。不純物が除去された空気は、圧縮機３０４に送られる。

　圧縮機３０４は、不純物が除去された空気を圧縮し、空気に含まれる各種気体を液化しやすい状態にする。一例として、圧縮機３０４は、０．５ＭＰａ程度まで空気を昇圧する。圧縮空気は、吸着器３０８に送られる。

　吸着器３０８は、圧縮機３０４から送られてきた圧縮空気から水分および炭酸ガスを吸着除去する。吸着除去の方法には、たとえば、ＴＳＡ（Thermal Swing Adsorption）方式が採用される。

　ＴＳＡ方式の吸着器３０８は、２つの吸着塔を有する。一方の吸着塔が水分および炭酸ガスを吸着しているときに、他方の吸着塔は前回に吸着した水分および炭酸ガスを大気に放出する。各吸着塔は、吸着と放出とを交互に繰り返すことで、圧縮空気から水分および炭酸ガスを吸着除去する。その後、吸着器３０８を通過した圧縮空気は、熱交換器３１０に送られる。

　熱交換器３１０は、吸着器３０８から送られてきた空気と、図５に示される酸素ガスとの間で熱交換を行い、当該空気を－１８０℃程度に冷却する。その結果、空気に含まれる各種気体（たとえば、酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガスなど）は液化し、液化空気として精留塔３１２に送られる。

　精留塔３１２は、各種気体の沸点の差を利用して、液体空気から、酸素ガス、液体酸素、液体窒素、および液体アルゴンなどを精製する。なお、大気圧下での液体窒素の沸点は－１９５．８℃であり、大気圧下での液体アルゴンの沸点は－１８５．７℃であり、大気圧下での液体酸素の沸点は－１８３．０℃である。

　精留塔３１２は、たとえば、下塔３１２Ａと、上塔３１２Ｂとで構成されている。液体空気は、下塔３１２Ａに送られる。下塔３１２Ａは、上塔３１２Ｂよりも高い内部圧力を有する高圧塔である。

　上塔３１２Ｂの底部と下塔３１２Ａの頂部とは、凝縮器（図示しない）によって熱的に接続されている。下塔３１２Ａから上塔３１２Ｂへの潜熱での熱供給により、下塔３１２Ａの頂部に溜まっている窒素ガスが凝縮され、還流液体窒素が生成される。当該液体窒素は、下塔３１２Ａの上部に設けられている貯蔵室（図示しない）に溜まる。当該液体窒素は、下塔３１２Ａの上部から抜き取られ、ボンベや低温容器などに充填された上で製品として出荷される。

　下塔３１２Ａの下部に溜まっている液体空気は、上塔３１２Ｂに送られる。各種気体の沸点の差により、上塔３１２Ｂの底部には液体酸素が溜まる。当該液体酸素は、上塔３１２Ｂの底部から抜き取られ、ボンベや低温容器などの容器に充填された上で製品として出荷される。

　また、下塔３１２Ａから上塔３１２Ｂへの潜熱での熱供給により、上塔３１２Ｂの底部においては液体酸素が気化し、当該液体酸素上に高純度の酸素ガスが発生する。当該酸素ガスは、上塔３１２Ｂから抜き取られ、熱交換器３１０に送られる。熱交換器３１０は、当該酸素ガスと、吸着器３０８から送られてきた空気との間で熱交換を行い、当該酸素ガスの温度を上昇させる。熱交換器３１０を通過した酸素ガスは、上述の配管Ｆ２を介して供給機構４００に送られる。

　また、上塔３１２Ｂの中間部とアルゴン精製装置３１４とは配管で接続されている。上塔３１２Ｂの中間部に存在する粗アルゴンは、アルゴン精製装置３１４に供給される。アルゴン精製装置３１４は、粗アルゴンから液化アルゴンを製造する。当該液体アルゴンは、たとえば、ボンベや低温容器などの容器に充填された上で製品として出荷される。

　（Ｅ２．吸着分離装置３００Ｂ）
　次に、図６を参照して、酸素発生装置３００の他の例である吸着分離装置３００Ｂについて説明する。図６は、吸着分離装置３００Ｂの装置構成の一例を示す図である。

　吸着分離装置３００Ｂは、吸着剤に対するガスの吸着特性の違いを利用して、空気から酸素ガスを分離する。

　一例として、吸着分離装置３００Ｂは、フィルタ３３２と、ブロワー３３４と、吸着塔３３６Ａ、３３６Ｂと、サージタンク３３８と、真空ポンプ３４０と、バルブＶ１～Ｖ８とで構成されている。

　ブロワー３３４は、送風機の一種であり、外部から吸着分離装置３００Ｂに空気を取り込む。取り込まれた空気は、フィルタ３３２に送られる。フィルタ３３２は、当該空気から窒素ガスなどの不要ガスを除去する。

　フィルタ３３２を通過した空気は、吸着塔３３６Ａ，３３６Ｂのいずれかに送られる。当該空気の送り先は、バルブＶ１～Ｖ８の開閉に応じて切り換えられる。図６の例では、バルブＶ１，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ７が開状態に制御され、バルブＶ２，Ｖ３，Ｖ６，Ｖ８が閉状態に制御されている。この場合、空気は、吸着塔３３６Ａに導かれる。

　吸着塔３３６Ａでは、水分などの不純物と窒素ガスとが、吸着剤によって吸着される。一方で、吸着剤に吸着されにくい酸素ガスは、吸着塔３３６Ａを通過し、サージタンク３３８に送られる。その後、サージタンク３３８に送られた酸素ガスの一部は、上述の配管Ｆ２を介して供給機構４００に送られる。一方で、酸素ガスの残りは、他方の吸着塔３３６Ｂに送られる。

　真空ポンプ３４０は、吸着塔３３６Ｂを減圧し、吸着塔３３６Ｂ内の吸着剤で前回に吸着した不要ガスを当該吸着剤から脱着する。脱着された不要ガスは、排ガスとして大気中に排出される。

　その後、吸着分離装置３００Ｂは、バルブＶ１～Ｖ８の開閉を逆転させる。すなわち、バルブＶ１，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ７が開状態から閉状態に切り換えられ、バルブＶ２，Ｖ３，Ｖ６，Ｖ８が閉状態から開状態に切り換えられる。その結果、吸着塔３３６Ａ，３３６Ｂの機能が逆転する。すなわち、吸着塔３３６Ｂは空気から不要ガスを除去することで酸素ガスを分離するように機能し、吸着塔３３６Ａは吸着剤から不要ガスを脱着するように機能する。

　このように、吸着分離装置３００Ｂは、不要ガスの吸着と脱着とを吸着塔３３６Ａ，３３６Ｂ間で交互に繰り返すことで酸素ガスを精製する。

　＜Ｆ．供給機構４００＞
　次に、図７および図８を参照して、上述の供給機構４００についてさらに説明する。図７は、供給機構４００の装置構成を説明するための図である。

　図７に示されるように、供給機構４００は、集じん器４０２と、誘引通風機４０４と、混合機構４０６と、送風機４０８とを含む。集じん器４０２と誘引通風機４０４とは、たとえば、配管Ｆ１上に設けられている。混合機構４０６と送風機４０８とは、配管Ｆ２上に設けられている。

　集じん器４０２は、たとえば、ろ過式集じん器である。集じん器４０２は、燃焼設備２００で発生した燃焼ガスから煤塵を取り除く。煤塵とは、燃焼設備２００が可燃物を燃焼した際に発生する微粒子である。当該微粒子としては、たとえば、煙、ススおよび塵などが挙げられる。煤塵が取り除かれた燃焼ガスは、配管Ｆ１を介して誘引通風機４０４に送られる。

　誘引通風機４０４は、送風機の一種であり、集じん器４０２を通過した燃焼ガスを煙突（図示しない）に送る。これにより、燃焼ガスの一部は、煙突から大気に放出される。一方で、燃焼ガスの残りは、混合機構４０６または製造装置５００に送られる。

　混合機構４０６は、誘引通風機４０４から送られる燃焼ガスと、酸素発生装置３００で発生させた酸素ガスとを混合するための機構である。混合機構４０６には、燃焼ガスと酸素ガスとを混合することが可能な任意の機構が採用される。

　図８を参照して、混合機構４０６の一例について説明する。図８は、混合機構４０６の断面を示す図である。

　図８の例では、混合機構４０６の内部において、複数の邪魔板４０７が設けられている。邪魔板４０７の各々は、ガスの流れを阻害するように配管Ｆ２内に設けられている。これにより、燃焼ガスおよび酸素ガスが配管Ｆ２内において効率的に混合される。なお、当該混合方法は一例であり、混合ノズルなどが燃焼ガスおよび酸素ガスの混合に用いられてもよい。

　再び図７を参照して、送風機４０８は、混合機構４０６で混合された混合ガスを燃焼設備２００に送る。送風機４０８は、たとえば、ファンなどで構成される。送風機４０８により、燃焼設備２００→配管Ｆ１→配管Ｆ３→配管Ｆ２→燃焼設備２００での燃焼ガスの循環や、燃焼設備２００への酸素ガスの供給がより効率的に行われる。

　＜Ｇ．製造装置５００＞
　次に、図９および図１０を参照して、上述の図１に示される製造装置５００についてさらに説明する。

　上述のように、製造装置５００は、燃焼設備２００で発生した燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造するための装置である。製造装置５００の装置構成は特に限定されず、燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造することが可能な任意の装置構成が製造装置５００に採用され得る。

　一例として、製造装置５００の装置構成は、酸素発生装置３００の種類に応じて決められる。以下では、酸素発生装置３００の種類に応じた製造装置５００の装置構成について説明する。

　（Ｇ１．製造装置５００Ａ）
　まず、図９を参照して、上述の深冷分離装置３００Ａ（図５参照）が酸素発生装置３００に採用される場合における製造装置５００Ａについて説明する。図９は、製造装置５００Ａの装置構成の一例を示す図である。

　深冷分離装置３００Ａが酸素発生装置３００に採用される場合、深冷分離装置３００Ａは、高純度の酸素ガスを燃焼設備２００に供給することができる。その結果、燃焼設備２００で発生する燃焼ガス中の炭酸ガス濃度がより高くなる。一例として、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度は、９０％以上となる。そのため、製造装置５００Ａは、吸着分離装置やアミン吸収装置などの濃縮機構を用いることなく、燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造することができる。すなわち、製造装置５００Ａは、燃焼設備２００から供給される燃焼ガスを直接的に圧縮・冷却することで液化炭酸ガスを製造することができる。

　図９の例では、製造装置５００Ａは、圧縮機５１４と、吸着器５１５と、冷却機構５１６とで構成されている。

　圧縮機５１４は、燃焼ガスを圧縮し、燃焼ガスが液化しやすい状態にする。圧縮された燃焼ガスは、吸着器５１５に送られる。

　吸着器５１５は、圧縮機５１４から送られてきた燃焼ガスから水分を吸着除去する。吸着除去の方法には、たとえば、ＴＳＡ方式が採用される。

　ＴＳＡ方式の吸着器５１５は、２つの吸着塔を有する。一方の吸着塔が水分を吸着しているときに、他方の吸着塔は前回に吸着した水分を大気に放出する。各吸着塔は、吸着と放出とを交互に繰り返すことで、圧縮された燃焼ガスから水分を吸着除去する。その後、吸着器５１５を通過した燃焼ガスは、冷却機構５１６に送られる。

　冷却機構５１６は、吸着器５１５を通過した燃焼ガスを冷却する。燃焼ガスの冷却方法は任意である。一例として、冷却機構５１６は、熱交換器を用いて冷媒と燃焼ガスとの間で熱交換を行うことで燃焼ガスを冷却する。当該冷媒には、たとえば、フロン冷媒またはＮＨ_３冷媒などが用いられる。

　製造装置５００Ａは、以上のような燃焼ガスの圧縮と冷却とを行うことで、当該燃焼ガスに含まれる炭酸ガスを液化する。これにより、製造装置５００Ａは、燃焼ガスから直接的に液化炭酸ガスを製造することができる。

　なお、上述の図５で説明したように、深冷分離装置３００Ａは、空気から酸素ガスを分離するだけでなく、液体酸素と液体アルゴンと液体窒素とを空気から製造することができる。そのため、本実施の形態に従う製造設備１００では、製造装置５００Ａが液化炭酸ガスを製造するとともに、深冷分離装置３００Ａが液体酸素と液体アルゴンと液体窒素とを併産することができる。

　なお、上述では、深冷分離装置３００Ａが液体酸素、液体アルゴンおよび液体窒素の３つを併産する前提で説明を行ったが、深冷分離装置３００Ａは、液体酸素、液体アルゴンおよび液体窒素の少なくとも１つを併産するように構成されてもよい。

　すなわち、深冷分離装置３００Ａは、液体酸素のみを併産するように構成されてもよい。あるいは、深冷分離装置３００Ａは、液体アルゴンのみを併産するように構成されてもよい。あるいは、深冷分離装置３００Ａは、液体窒素のみを併産するように構成されてもよい。あるいは、深冷分離装置３００Ａは、液体酸素、液体アルゴンおよび液体窒素の内の２つを併産するように構成されてもよい。

　（Ｇ２．製造装置５００Ｂ）
　次に、図１０を参照して、上述の吸着分離装置３００Ｂ（図６参照）が酸素発生装置３００に採用される場合における製造装置５００Ｂについて説明する。図１０は、製造装置５００Ｂの装置構成の一例を示す図である。

　上述の吸着分離装置３００Ｂにおいては、燃焼ガス中の空気由来の窒素濃度が高くなり、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度は、８０％程度までしか上がらない可能性がある。そのため、製造装置５００Ｂは、吸着分離装置やアミン吸収装置などの濃縮機構を用いて燃焼ガス中の炭酸ガス濃度を９０％以上に高める。その上で、製造装置５００Ｂは、燃焼ガスを圧縮・冷却し、燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造する。

　図１０の例では、製造装置５００Ｂは、炭酸ガス濃縮器５１２と、圧縮機５１４と、吸着器５１５と、冷却機構５１６とで構成されている。製造装置５００Ｂは、炭酸ガス濃縮器５１２をさらに備える点で図９に示される製造装置５００Ａとは異なる。

　炭酸ガス濃縮器５１２は、燃焼ガスに含まれる炭酸ガスを吸着する。炭酸ガスの吸着方法には、たとえば、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）方式が採用される。炭酸ガス濃縮器５１２は、２つ以上の吸着塔を有する。各吸着塔は、ガス中の炭酸ガスを吸着する工程と、回収した炭酸ガスを塔内に戻して空隙に残ったガスを炭酸ガスに置換するパージ工程と、塔内を真空ポンプで減圧し脱着した炭酸ガスを回収する工程と、再度ガスが塔内に受け入れられるように塔内の圧力を常圧に戻す復圧工程とを繰り返す。濃縮された燃焼ガスは、圧縮機５１４に送られる。

　圧縮機５１４は、濃縮された燃焼ガスを圧縮し、当該燃焼ガスが液化しやすい状態にする。圧縮された燃焼ガスは、吸着器５１５に送られる。

　吸着器５１５は、圧縮機５１４から送られてきた燃焼ガスから水分を吸着除去する。吸着除去の方法には、たとえば、ＴＳＡ方式が採用される。ＴＳＡ方式による水分の除去方法については上述の通りである。吸着器５１５を通過した燃焼ガスは、冷却機構５１６に送られる。

　製造装置５００Ｂは、以上のような燃焼ガスの圧縮と冷却とを行うことで、当該燃焼ガスに含まれる炭酸ガスを液化する。これにより、製造装置５００Ａは、燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造することができる。

　＜Ｈ．液化炭酸ガスの製造フロー＞
　次に、図１１を参照して、液化炭酸ガスの製造フローについて説明する。図１１は、製造設備１００の制御処理の流れを示すフローチャートである。

　図１１に示される処理は、製造設備１００の制御部５０が上述の制御プログラム１２２（図４参照）を実行することにより実現される。他の局面において、処理の一部または全部が、回路素子またはその他のハードウェアによって実行されてもよい。

　ステップＳ１１０において、制御部５０は、燃焼設備２００において可燃物の燃焼工程が開始されたか否かを判断する。燃焼工程が開始されたか否かは、種々の方法で判断される。一例として、制御部５０は、燃焼開始操作を受け付けたときに燃焼設備２００において可燃物の燃焼工程が開始されたと判断する。制御部５０は、燃焼設備２００において可燃物の燃焼工程が開始されたと判断した場合（ステップＳ１１０においてＹＥＳ）、制御をステップＳ１１２に切り替える。そうでない場合には（ステップＳ１１０においてＮＯ）、制御部５０は、ステップＳ１１０の処理を再び実行する。

　ステップＳ１１２において、制御部５０は、上述のバルブ３０（図２参照）を閉状態にする。これにより、燃焼設備２００で発生した燃焼ガスは、配管Ｆ１、配管Ｆ３、配管Ｆ２、および燃焼設備２００の間で循環することになる。

　ステップＳ１２０において、制御部５０は、燃焼ガスの炭酸ガス濃度が所定濃度（たとえば、１０％以上３０％以下の濃度）を超えたことを示す第１条件が満たされたか否かを判断する。第１条件が満たされたか否かは、種々の方法で判断される。

　ある局面において、制御部５０は、ステップＳ１１０で燃焼設備２００が可燃物の燃焼を開始してから所定時間が経過したことに基づいて、上記第１条件が満たされたと判断する。当該所定時間は、予め設定されてもよいし、ユーザによって任意に設定されてもよい。あるいは、当該所定時間は、温度や湿度などの環境条件に応じて自動で調整されてもよい。

　他の局面において、制御部５０は、上述の濃度センサ２０から取得した炭酸ガス濃度が閾値ｔｈ１を超えたことに基づいて、上記第１条件が満たされたと判断する。閾値ｔｈ１は、たとえば、１０％以上３０％以下の値である。閾値ｔｈ１は、予め設定されてもよいし、ユーザによって任意に設定されてもよい。あるいは、当該閾値ｔｈ１は、温度や湿度などの環境条件に応じて自動で調整されてもよい。

　制御部５０は、上記第１条件が満たされたと判断した場合（ステップＳ１２０においてＹＥＳ）、制御をステップＳ１２２に切り替える。そうでない場合には（ステップＳ１２０においてＮＯ）、制御部５０は、ステップＳ１２０の処理を再び実行する。

　ステップＳ１２２において、制御部５０は、酸素発生装置３００から燃焼設備２００への酸素ガスの供給を開始する。これにより、燃焼ガスと酸素ガスとの混合ガスが燃焼設備２００に供給される。

　このように、制御部５０は、上記第１条件が満たされるまでは酸素発生装置３００から燃焼設備２００への酸素ガスの供給を開始しない。その結果、酸素ガスの供給が開始されるまでに、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度が１０％～３０％程度まで高められる。燃焼ガス中の炭酸ガス濃度が１０％～３０％程度まで高められた上で、燃焼ガスと酸素ガスとの混合ガスが燃焼設備２００に供給されるため、炭酸ガスを供給するためのボンベなどを燃焼設備２００に設ける必要がない。

　ステップＳ１３０において、制御部５０は、燃焼ガスの炭酸ガス濃度が所定濃度（たとえば、８０％以上９５％以下の濃度）を超えたことを示す第２条件が満たされたか否かを判断する。第２条件が満たされたか否かは、種々の方法で判断される。

　ある局面において、制御部５０は、ステップＳ１２２で酸素発生装置３００が酸素ガスの供給を開始してから所定時間が経過したことに基づいて、上記第２条件が満たされたと判断する。当該所定時間は、予め設定されてもよいし、ユーザによって任意に設定されてもよい。あるいは、当該所定時間は、温度や湿度などの環境条件に応じて自動で調整されてもよい。

　他の局面において、制御部５０は、上述の濃度センサ２０から取得した炭酸ガス濃度が閾値ｔｈ２を超えたことに基づいて、上記第２条件が満たされたと判断する。閾値ｔｈ２は、上述の閾値ｔｈ１よりも大きい。閾値ｔｈ２は、たとえば、８０％以上で９５％以下の値である。好ましくは、閾値ｔｈ２は、９０％である。当該閾値ｔｈ２は、予め設定されてもよいし、ユーザによって任意に設定されてもよい。あるいは、当該閾値ｔｈ２は、温度や湿度などの環境条件に応じて自動で調整されてもよい。

　制御部５０は、上記第２条件が満たされたと判断した場合（ステップＳ１３０においてＹＥＳ）、制御をステップＳ１３２に切り替える。そうでない場合には（ステップＳ１３０においてＮＯ）、制御部５０は、ステップＳ１３０の処理を再び実行する。

　ステップＳ１３２において、制御部５０は、上述のバルブ３０（図２参照）を閉状態から開状態にする。これにより、燃焼設備２００で発生した燃焼ガスが製造装置５００に送られ、燃焼ガスから高純度の液化炭酸ガスが製造される。

　＜Ｉ．シミュレーション結果＞
　発明者らは、燃焼設備２００で発生した燃焼ガスと酸素発生装置３００で発生させた酸素ガスとの混合ガスを燃焼設備２００に供給し続けることで、燃焼ガス中の組成がどのように変化するかをシミュレーションにより確認した。以下では、図１２を参照して、当該シミュレーション結果について説明する。

　図１２は、シミュレーション結果をグラフＧ１で示す図である。グラフＧ１には、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度の推移と、燃焼ガス中の酸素濃度の推移と、燃焼ガス中の窒素濃度の推移と、燃焼ガス中の水分濃度の推移とが示されている。

　グラフＧ１の横軸は、酸素発生装置３００から燃焼設備２００への酸素ガスの供給が開始されてからの経過時間を表わす。当該経過時間の単位は、「ｈｒ」で示されている。

　グラフＧ１の縦軸は、燃焼ガス中の各ガスの濃度を示す。当該濃度の単位は、たとえば、「ｍｏｌ％」で示されている。

　グラフＧ１に示されるように、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度は、時間の経過とともに上昇しており、最終的には９０％程度まで上昇している。燃焼ガス中の窒素濃度は、時間の経過とともに下降しており、最終的には０％に近付いている。燃焼ガス中の酸素濃度と、
燃焼ガス中の窒素濃度と、燃焼ガス中の水分濃度とは、１０％未満で推移している。

　このように、発明者らは、燃焼設備２００で発生した燃焼ガスと酸素発生装置３００で発生させた酸素ガスとの混合ガスを燃焼設備２００に供給し続けることで、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度が９０％程度まで上昇することを確認した。

　炭酸ガス濃度が９０％程度まで上昇すると、製造装置５００は、吸着分離装置やアミン吸収装置などの濃縮機構を用いることなく、燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造することができる。すなわち、製造装置５００は、燃焼設備２００から供給される燃焼ガスを直接的に圧縮・冷却することで液化炭酸ガスを製造することができる。

　＜Ｊ．まとめ＞
　以上のように、上述の製造設備１００は、燃焼設備２００で可燃物を燃焼させることで発生した燃焼ガスを燃焼設備２００に戻すとともに、酸素発生装置３００で発生させた酸素ガスを燃焼設備２００に供給する。すなわち、製造設備１００は、可燃物の燃焼中において、燃焼ガスと酸素ガスとの混合ガスを燃焼設備２００に供給する。当該混合ガスが燃焼設備２００に供給され続けることで、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度が高められる。製造装置５００は、炭酸ガス濃度が高められた燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造する。

　このように、製造設備１００は、燃焼設備２００で発生した燃焼ガスを利用して、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度を上げる。すなわち、製造設備１００は、ボンベなどから炭酸ガスを供給すること無く、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度を上げることができる。これにより、純度の高い液化炭酸ガスが製造される。

　＜Ｋ．その他＞
　以上のように、上記開示の製造設備１００を用いることによって、燃焼炉排出ガス中の炭酸ガスをそのまま大気へ放出することなく、本来必要とされている液化炭酸ガスやドライアイスとして有効利用することができる。そのため、地球温暖化ガスを削減することができ、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の一部活動に貢献することができる。

　今回開示された実施の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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

　２０　濃度センサ、３０　バルブ、５０　制御部、１００　製造設備、１０１　制御回路、１０２　ＲＯＭ、１０３　ＲＡＭ、１０４　通信インターフェイス、１１０　バス、１２０　補助記憶装置、１２２　制御プログラム、２００　燃焼設備、３００　酸素発生装置、３００Ａ　深冷分離装置、３００Ｂ　吸着分離装置、３０２　フィルタ、３０４　圧縮機、３０８　吸着器、３１０　熱交換器、３１２　精留塔、３１２Ａ　下塔、３１２Ｂ　上塔、３１４　アルゴン精製装置、３３２　フィルタ、３３４　ブロワー、３３６Ａ　吸着塔、３３６Ｂ　吸着塔、３３８　サージタンク、３４０　真空ポンプ、４００　供給機構、４０２　集じん器、４０４　誘引通風機、４０６　混合機構、４０７　邪魔板、４０８　送風機、５００　製造装置、５００Ａ　製造装置、５００Ｂ　製造装置、５１２　炭酸ガス濃縮器、５１４　圧縮機、５１５　吸着器、５１６　冷却機構、Ｆ１　配管、Ｆ２　配管、Ｆ３　配管、Ｇ１　グラフ、Ｐ１　分岐点、Ｐ２　分岐点、Ｖ１　バルブ、Ｖ２　バルブ、Ｖ３　バルブ、Ｖ４　バルブ、Ｖ５　バルブ、Ｖ６　バルブ、Ｖ７　バルブ、Ｖ８　バルブ。

Claims

　液化炭酸ガスの製造設備であって、
　可燃物を燃焼させるための燃焼設備と、
　酸素を発生させるための発生装置と、
　前記燃焼設備で前記可燃物を燃焼させることで発生した燃焼ガスを前記燃焼設備に戻すとともに前記酸素を前記燃焼設備に供給するための供給機構と、
　前記燃焼設備で発生した燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造するための製造装置とを備える、製造設備。
　前記供給機構は、
　　前記燃焼設備と前記製造装置とを接続している第１配管と、
　　前記燃焼設備と前記発生装置とを接続している第２配管と、
　　前記第１配管から分岐しており、前記第２配管に接続されている第３配管とを含む、請求項１に記載の製造設備。
　前記製造設備は、さらに、
　　前記燃焼ガスの炭酸ガス濃度を検出するためのセンサと、
　　前記第１配管および前記第３配管の分岐点と前記製造装置との間における流路を開閉可能に構成されるバルブと、
　　前記バルブを制御する制御部とを備え、
　前記制御部は、前記炭酸ガス濃度が所定値以上になったときに前記流路を閉状態から開状態にするように前記バルブを制御する、請求項２に記載の製造設備。
　前記供給機構は、前記燃焼設備が前記可燃物の燃焼を開始してから所定時間後に、前記燃焼設備への前記酸素の供給を開始するように構成されている、請求項１または２に記載の製造設備。
　前記発生装置は、深冷分離法により空気から前記酸素を製造する深冷分離装置である、請求項１または２に記載の製造設備。
　前記深冷分離装置は、深冷分離法により前記空気から液体酸素と液体アルゴンと液体窒素との少なくとも１つをさらに製造するように構成されている、請求項５に記載の製造設備。
　前記発生装置は、吸着分離法により空気から前記酸素を製造する吸着分離装置である、請求項１または２に記載の製造設備。
　液化炭酸ガスの製造方法であって、
　燃焼設備で可燃物を燃焼させる工程と、
　酸素を発生させる工程と、
　前記燃焼設備で前記可燃物を燃焼させることで発生した燃焼ガスを前記燃焼設備に戻すとともに前記酸素を前記燃焼設備に供給する工程と、
　前記燃焼設備で発生した燃焼ガスから液化炭酸ガスを製造する工程とを備える、製造方法。