JP2011207672A - アンモニア回収装置およびアンモニア回収方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】混合ガスとして放出されるアンモニアを安価に回収でき、不純物のないアンモニアを回収、再利用できるアンモニア回収装置およびアンモニア回収方法を提供する。
【解決手段】混合ガスからアンモニアを分離回収するアンモニア回収装置１００であって、高温高圧の混合ガス源１１０から放出されるアンモニアおよびアンモニアより液化温度の低い気体で構成される混合ガスを、混合ガス源の温度と外部の温度との中間の温度まで冷却し、アンモニアを凝縮させるコンデンサ１２０と、コンデンサ１２０の外部側に設けられ、コンデンサの冷却温度に応じて決まるアンモニアを凝縮させるのに必要な圧力をコンデンサに与える背圧弁Ｖ６と、凝縮されたアンモニアを貯留する貯留部１３３、１３４とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】混合ガスからアンモニアを分離回収するアンモニア回収装置１００であって、高温高圧の混合ガス源１１０から放出されるアンモニアおよびアンモニアより液化温度の低い気体で構成される混合ガスを、混合ガス源の温度と外部の温度との中間の温度まで冷却し、アンモニアを凝縮させるコンデンサ１２０と、コンデンサ１２０の外部側に設けられ、コンデンサの冷却温度に応じて決まるアンモニアを凝縮させるのに必要な圧力をコンデンサに与える背圧弁Ｖ６と、凝縮されたアンモニアを貯留する貯留部１３３、１３４とを備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、混合ガスからアンモニアを分離回収するアンモニア回収装置およびアンモニア回収方法に関する。
従来、大気圧においてアンモニアを液化温度（−７７．７℃）まで冷却することでアンモニアを回収する方法や、コンプレッサを利用してアンモニアガスの圧力を高め、液化温度を高めて回収する方法が知られている（たとえば特許文献１参照）。
特許文献１記載のアンモニアガスの回収装置は、導出された排出ガス中のアンモニアガスを水に溶解させ、アンモニアを溶解させたアンモニア水を蒸留して水とアンモニアガスとを分離し、分離したアンモニアガスを液化してアンモニアガスを回収している。溶解工程では溶解ステップを反復させてアンモニア濃度を高め、所定濃度のアンモニア水をアンモニア水タンクに貯留し、アンモニアガスを除湿した後、冷凍機ユニットでアンモニアガスを圧力０.４ＭＰａ、４℃（２７７Ｋ）程度まで冷却して液化している。
また、アンモニアガスを除害する装置としてはアンモニアを吸着剤に吸着させるものが知られている（たとえば特許文献２参照）。特許文献２記載のアンモニアの回収装置は、多管式吸着器にアンモニアの吸着剤を充填し、吸着剤を冷却しながらアンモニア含有ガスを通気する。このようにしてアンモニアを吸着捕取した後、多管式吸着器を熱媒体で加熱しながら減圧下にアンモニアを脱離させて回収している。
一方、液体のアンモニアを用いた反応についても研究がなされている（たとえば特許文献３参照）。特許文献３記載の金属アミド化合物の製造方法は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水素化物が含まれている金属水素化物と、液体アンモニアとを反応させることにより金属アミド化合物を得ている。
上記の特許文献２記載のように、アンモニアを吸着剤に吸着させる装置が知られているが、このような技術は微量のアンモニアを吸着により除去するためのものであり、溶媒として大量のアンモニアを用い、アンモニアを回収し再利用しようとする場合には適用できない。
一方、特許文献３には、溶媒として大量のアンモニアを用いる反応が記載されているものの、アンモニアの回収については具体的手段が開示されていない。このような場合に、反応容器においてガスを冷却しようとすると、特許文献１記載のような通常の液化方法が採用されると考えられ、多くの冷却熟や電力が必要となる。また、圧力容器から排出されるアンモニアは高温であることが多く、また、アンモニア以外の高温であるガスを含んでいる場合は、アンモニア以外のガスも合わせて冷却や加圧が必要であり、さらに多くの冷却熱や電力を必要とし、非効率的である。たとえば、高温の混合ガスからアンモニアを大気圧下で液化するためには、アンモニアの蒸気圧曲線が示すように−７７．７℃程度の低温まで冷却しなければならず、設備にかかる費用が割に合わない。一方、コンプレッサを用いて圧縮することでアンモニアを液化することもできるが、この方法も設備に費用がかかる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、混合ガスとして放出されるアンモニアを安価に回収でき、不純物のないアンモニアを回収、再利用できるアンモニア回収装置およびアンモニア回収方法を提供することを目的とする。
（１）上記の目的を達成するため、本発明のアンモニア回収装置は、混合ガスからアンモニアを分離回収するアンモニア回収装置であって、高温高圧の混合ガス源から放出されるアンモニアおよびアンモニアより液化温度の低い気体で構成される混合ガスを冷却し、アンモニアを凝縮させるコンデンサと、前記コンデンサの外部側に設けられ、前記コンデンサの冷却温度に応じて決まるアンモニアを凝縮させるのに必要な圧力を前記コンデンサに与える背圧弁と、前記凝縮されたアンモニアを貯留する貯留部と、を備えることを特徴としている。
このように、本発明のアンモニア回収装置は、背圧弁によりコンデンサの冷却温度に応じて決まるアンモニアを液化させるのに必要な圧力をコンデンサに与えることで、混合ガスからアンモニアガスを取り出し貯留している。これにより、混合ガスとして放出されるアンモニアを安価に回収でき、不純物のないアンモニアを回収、再利用できる。
また、コンプレッサなしでアンモニアを液化でき、コンプレッサの設置、運転にかかる費用を低減できる。アンモニアを十分に回収するため、外部に他のガスとともに排出されるアンモニアに対して除害装置を設ける必要をなくすか、設けるとしても装置規模を縮小できる。
（２）また、本発明のアンモニア回収装置は、前記コンデンサが、前記混合ガスを空冷または水冷で冷却することを特徴としている。これにより、冷却のために高価な施設を準備することなく、空冷や水冷程度でアンモニアを液化することができる。
（３）また、本発明のアンモニア回収装置は、前記コンデンサが、前記混合ガスを冷却する冷却部およびアンモニアを凝縮して一時的に貯留する凝縮タンクを有し、前記凝縮タンクは、底部に、前記貯留部へ向かうアンモニアの流通路を有することを特徴としている。これにより、アンモニアを液化して貯留し、液体のアンモニアを通して、その温度では液化されないその他のガスを放出するとともにアンモニアを分離して取り出すことが容易になる。
（４）また、本発明のアンモニア回収装置は、前記コンデンサが、前記混合ガスを５６℃未満に冷却することを特徴としている。これにより、アンモニアを貯留するボンベに用いられやすい可溶弁を溶かすことのない温度で、アンモニアを液化することができる。
（５）また、本発明のアンモニア回収方法は、混合ガスからアンモニアを分離回収するアンモニア回収方法であって、高温高圧の混合ガス源から放出されるアンモニアおよびアンモニアより液化温度の低い気体で構成される混合ガスを冷却しつつ、前記コンデンサの冷却温度に応じ、アンモニアを液化させるのに必要な圧力を与え、アンモニアを凝縮させるステップと、前記凝縮されたアンモニアを貯留するステップと、を含むことを特徴としている。
これにより、混合ガスとして放出されるアンモニアを安価に回収でき、不純物のないアンモニアを回収、再利用できる。また、コンプレッサなしでアンモニアを液化でき、コンプレッサの設置、運転にかかる費用を低減できる。そして、アンモニアを十分に回収するため、外部に他のガスとともに排出されるアンモニアに対して除害装置を設ける必要をなくすか、設けるとしても装置規模を縮小できる。
本発明によれば、混合ガスとして放出されるアンモニアを安価に回収でき、不純物のないアンモニアを回収、再利用できる。
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
［第１の実施形態］
（アンモニア回収装置の構成）
図１は、アンモニア回収装置１００の構成を示す模式図である。アンモニア回収装置１００は、混合ガスからアンモニアを分離回収する。図１に示すように、アンモニア回収装置１００は、圧力容器１１０、導入弁Ｖ１、流通路１１１、第１背圧弁Ｖ２、バイパス１１２、バイパス弁Ｖ３、コンデンサ１２０、貯留路１２５、貯留弁Ｖ４、Ｖ５、貯留部１３１、１３２、重量計１３３、１３４、排出路１４５および第２背圧弁Ｖ６により構成されている。
（アンモニア回収装置の構成）
図１は、アンモニア回収装置１００の構成を示す模式図である。アンモニア回収装置１００は、混合ガスからアンモニアを分離回収する。図１に示すように、アンモニア回収装置１００は、圧力容器１１０、導入弁Ｖ１、流通路１１１、第１背圧弁Ｖ２、バイパス１１２、バイパス弁Ｖ３、コンデンサ１２０、貯留路１２５、貯留弁Ｖ４、Ｖ５、貯留部１３１、１３２、重量計１３３、１３４、排出路１４５および第２背圧弁Ｖ６により構成されている。
圧力容器１１０は、反応容器として用いられ、内部の温度と圧力を制御し、アンモニアを用いた反応を進行させる。圧力容器１１０は、そのような場合アンモニアおよびアンモニアより液化温度の低い気体で構成される混合ガスを放出する混合ガス源となる。導入弁Ｖ１の開閉により、圧力容器１１０にはアンモニアを導入可能となっている。たとえば１０リットル程度の容量のものを用い、内部でアンモニアを溶媒として用い、金属カルシウムと反応させる。このような反応の結果、水素とアンモニアの混合ガスが発生する。
このように、アンモニア回収装置１００は、反応に８ＭＰａ以上の高圧が必要で副次的にガスが生成される場合に特に有効である。再度コンプレッサで高圧にする必要がなく、動力源が不要となる。
第１背圧弁Ｖ２は、圧力容器１１０とコンデンサ１２０との間に設けられ、圧力容器１１０側の圧力をたとえば８ＭＰａ等の所定の値に維持する。その場合、反応ガスにより８ＭＰａを超えた排ガスは、流通路１１１、第１背圧弁Ｖ２を通ってコンデンサ１２０へ流入する。バイパス１１２は、第１背圧弁Ｖ２を機能させている間はバイパス弁Ｖ３を閉じて用いられず、圧力容器１１０に残ったガスを排出する際に用いられる。
コンデンサ１２０は、混合ガス源から高温高圧の状態で放出される混合ガスを冷却し、アンモニアを凝縮させる。冷却温度は、圧力容器１１０の温度と外部の温度との中間の温度とすることが好ましい。室温の空気による空冷または室温の冷却水による水冷で混合ガスを冷却することで、アンモニアが液化する温度まで冷却できる。このようにして冷却機構をシンプルかつ安価に構成できる。なお、コンデンサ１２０の構成の詳細は後述する。
貯留路１２５は、凝縮されたアンモニアをコンデンサ１２０から貯留部１３１、１３２へ流通させる。貯留路１２５と貯留部１３１、１３２との開閉は、貯留弁Ｖ４、Ｖ５で行う。貯留部１３１、１３２は、それぞれボンベまたはタンクのような容器であり、凝縮されたアンモニアを貯留する。
ボンベを用いる場合、安全弁には通常、所定の温度で溶ける可溶弁が用いられる。この所定の温度は、ＪＩＳ規格で５６℃と定められており、コンデンサ１２０で混合ガスを５６℃未満の温度で冷却し、これに応じて第２背圧弁Ｖ６により維持する圧力を３ＭＰａとすることが好ましい。
これにより、可溶弁を溶かすことのない温度で、アンモニアを液化することができる。可溶弁は汎用のボンベに用いられるため、上記の条件設定はコスト低減に有効である。ただし、専用の貯蔵タンクを用い、適切な安全弁を用いて回収することも可能である。
重量計１３３、１３４は、それぞれ貯留部１３１、１３２の重量を計測する。そして、重量計１３３により貯留部１３１が所定量以上貯留されたと検知されたときに、貯留弁Ｖ４を閉じ、貯留弁Ｖ５を開けるよう装置を制御することで、続けて液体アンモニアをもう一つの貯留部１３２に流入させることができる。排出路１４５は、液化しなかったアンモニア以外のガスを、その圧力が２ＭＰａを超えた時点で第２背圧弁Ｖ６を介して排出する。排出されたガスは、排出路１４５から外部へ排出され、たとえば排出されるガスの除害装置へ送られる。２ＭＰａ以上の反応工程を行う圧力容器１１０から排出される高圧の混合ガスからアンモニアを分離するのに有効である。
第２背圧弁Ｖ６は、コンデンサ１２０の外部側に設けられ、コンデンサ１２０の冷却温度に応じて決まるアンモニアを凝縮させるのに必要な圧力をコンデンサ１２０に与える。これにより、混合ガスとして放出されるアンモニアを安価に回収でき、不純物のないアンモニアを回収、再利用できる。また、コンプレッサなしでアンモニアを液化でき、コンプレッサの設置、運転にかかる費用を低減できる。また、アンモニアを十分に回収するため、外部へ他のガスとともに排出されるアンモニアに対して除害装置を設ける必要をなくし、設けるとしても装置規模を縮小できる。
したがって、第２背圧弁Ｖ６は、圧力容器１１０から排出するガスを常温でも液化する圧力（２５．７℃、１．０１ＭＰａ）以上に保ったまま、常温まで冷却・液化し回収する。たとえば、その日の気温において液化する圧力に制御することも可能である。これにより、低コストで回収率を上げることができる。
このように、アンモニア回収装置１００は、圧力容器１１０にてアンモニアを含むガスが発生または、アンモニアを溶媒として使用する反応を行う際に、圧力容器の外へ放出されるアンモニアを安価に回収できる。
（コンデンサの構成）
次に、コンデンサ１２０の構成の詳細を説明する。図２は、コンデンサ１２０の構成を示す模式図である。図２に示すように、コンデンサ１２０は、冷却部１２１および凝縮タンク１２３を備えている。冷却部１２１は、流通路１１１を介して流通する混合ガスを冷却し、アンモニアを凝縮する。冷却は、空冷または水冷で行うことが好ましい。これにより、冷却のために高価な施設を準備することなく、空冷や水冷程度でアンモニアを液化することができる。
次に、コンデンサ１２０の構成の詳細を説明する。図２は、コンデンサ１２０の構成を示す模式図である。図２に示すように、コンデンサ１２０は、冷却部１２１および凝縮タンク１２３を備えている。冷却部１２１は、流通路１１１を介して流通する混合ガスを冷却し、アンモニアを凝縮する。冷却は、空冷または水冷で行うことが好ましい。これにより、冷却のために高価な施設を準備することなく、空冷や水冷程度でアンモニアを液化することができる。
凝縮タンク１２３は、混合ガスを冷却する冷却部およびアンモニアを凝縮して一時的に貯留する。液面位置を測定、制御することが好ましい。コンデンサ１２０内の液面が上昇したら凝縮タンク１２３へ液体アンモニアを移送する。凝縮されたアンモニアは、凝縮タンク１２３の底部の導入口１２２から鉛直下方のタンク内に導入される。
導入された液体のアンモニアＡは、凝縮タンク１２３内に蓄えられる。凝縮タンク１２３は、貯留部１３１、１３３へ向かうアンモニアの貯留路１２５に接続され、蓄えられたアンモニアＡは、鉛直下方側の底部の貯留口１２４から貯留路１２５を介して貯留部１３１、１３２に流入する。これにより、アンモニアを液化して貯留し、液体のアンモニアを通して、凝縮タンク１２３の温度より低い温度でないと液化されないその他のガスを放出するとともにアンモニアを分離して取り出すことが容易になる。
なお、冷却部１２１を設けずに、凝縮タンク１２３を低温に維持し、鉛直下方から混合ガスを導入してもよい。鉛直下方から導入することで冷却されずにアンモニアガスがそのまま排出されることが防止される。一方、凝縮タンク１２３は、排出路１４５に接続される排出口１４３を有している。排出口１４３は、凝縮タンク１２３の鉛直上方側に設けられていることが好ましい。これにより、水素等のアンモニアより液化温度の低い気体が排出口１４３から排出される。排出口１４３により凝縮タンク１２３の液面を調整し、上澄みにガスを残すことで、混合ガスに含まれる他のガスを逃がすこともできる。アンモニア以外のガスも凝縮タンク１２３に導入されるため、凝縮タンク１２３はガスを抜く構造を有している。
（アンモニア回収装置の動作）
次に、アンモニア回収装置１００の動作の一例を説明する。まず、導入弁Ｖ１を開けてアンモニアを圧力容器１１０に導入する。そして、圧力容器１１０において、アンモニアを溶媒として用い、金属カルシウムと反応させる。その結果として水素とアンモニアの混合ガスが発生する。このとき、第１背圧弁Ｖ２およびバイパス弁Ｖ３は閉じておく。
次に、アンモニア回収装置１００の動作の一例を説明する。まず、導入弁Ｖ１を開けてアンモニアを圧力容器１１０に導入する。そして、圧力容器１１０において、アンモニアを溶媒として用い、金属カルシウムと反応させる。その結果として水素とアンモニアの混合ガスが発生する。このとき、第１背圧弁Ｖ２およびバイパス弁Ｖ３は閉じておく。
反応終了後、圧力容器１１０を５０℃に維持する。なお、通常は圧力容器１１０の熱容量が大きいので保温のための制御は必要ない。第１背圧弁Ｖ２により、コンデンサ側の圧力を２ＭＰａとし、圧力容器１１０側の圧力を８ＭＰａから徐々に２ＭＰａまで下げつつ、混合ガスをコンデンサ１２０へと供給する。
コンデンサ１２０の冷却部１２１は、たとえば空冷によりアンモニアを５０℃程度に冷却し凝縮させる。そして、貯留弁Ｖ４、Ｖ５を開けて貯留部１３１、１３２においてアンモニアを液体として回収する。アンモニアより液化温度の低い他のガス、たとえば水素ガスは液化しない。したがって、凝縮された液体アンモニアには水素は混合されていない。アンモニアより液化温度が低いという代わりにアンモニアよりも蒸気圧が高いということもできる。
なお、圧力容器１１０内でアンモニアを気化することで、効率よく圧力容器１１０も冷却できる。アンモニアは、蒸発潜熱が水に次いで大きい物質であり冷却効果が高い。最終的に残った残ガスは除害装置へ送る。
（実施例）
上記のようなアンモニア回収装置１００を用いて実験を行った。まず、圧力容器１１０の内部に金属カルシウムを設置し、アンモニアを導入して、１００℃、８ＭＰａで２時間運転した。このように圧力容器１１０内でアンモニアと金属カルシウムとを反応させた後、水素とアンモニアとの混合ガスをコンデンサ１２０に導入し、混合ガスの温度を５６℃に冷却し、その圧力を第１の背圧弁Ｖ６で３ＭＰａに制御した。その結果、使用量の７１％の液体アンモニアを回収することができた。
上記のようなアンモニア回収装置１００を用いて実験を行った。まず、圧力容器１１０の内部に金属カルシウムを設置し、アンモニアを導入して、１００℃、８ＭＰａで２時間運転した。このように圧力容器１１０内でアンモニアと金属カルシウムとを反応させた後、水素とアンモニアとの混合ガスをコンデンサ１２０に導入し、混合ガスの温度を５６℃に冷却し、その圧力を第１の背圧弁Ｖ６で３ＭＰａに制御した。その結果、使用量の７１％の液体アンモニアを回収することができた。
［第２の実施形態］
上記の実施形態では、凝縮されたアンモニアは底部の鉛直方向に向かう導入口１２２から鉛直下方のタンク内に導入されるが、底部に流入口があれば、サイフォン管の様に鉛直上方に向かう流入口が設けられていてもよい。図３は、サイフォン管を有するコンデンサ２２０の構成を示す模式図である。
上記の実施形態では、凝縮されたアンモニアは底部の鉛直方向に向かう導入口１２２から鉛直下方のタンク内に導入されるが、底部に流入口があれば、サイフォン管の様に鉛直上方に向かう流入口が設けられていてもよい。図３は、サイフォン管を有するコンデンサ２２０の構成を示す模式図である。
図３に示すように、コンデンサ２２０では、凝縮タンク１２３内にサイフォン管２２４が設けられ、貯留路１２５に接続されている。サイフォン管２２４の流入口は底部付近に配置されている。このように凝縮タンク１２３の底部に流入口があれば、貯留路１２５への流入口の形態は限定されない。
［第３の実施形態］
上記の実施形態では、凝縮タンク１２３が冷却部１２１の配管とは別に設けられているが、配管の一部が凝縮タンクとしての機能を有する構成であってもよい。図４は、コンデンサ３２０の構成を示す模式図である。図４に示すように、コンデンサ３２０は、冷却部３２１を構成する配管の一部に凝縮タンク３２３が形成されている。このように、冷却部３２１の最も鉛直下方にある配管部が太く形成されており、そこでアンモニアを凝縮し一時的に貯留できる構造でも構わない。
上記の実施形態では、凝縮タンク１２３が冷却部１２１の配管とは別に設けられているが、配管の一部が凝縮タンクとしての機能を有する構成であってもよい。図４は、コンデンサ３２０の構成を示す模式図である。図４に示すように、コンデンサ３２０は、冷却部３２１を構成する配管の一部に凝縮タンク３２３が形成されている。このように、冷却部３２１の最も鉛直下方にある配管部が太く形成されており、そこでアンモニアを凝縮し一時的に貯留できる構造でも構わない。
１００ アンモニア回収装置
１１０ 圧力容器（混合ガス源）
１１１ 流通路
１１２ バイパス
１２０ コンデンサ
１２１ 冷却部
１２２ 導入口
１２３ 凝縮タンク
１２４ 貯留口
１２５ 貯留路
１３１、１３２ 貯留部
１３３、１３４ 重量計
１４５ 排出路
２２０ コンデンサ
２２４ サイフォン管
３２０ コンデンサ
３２３ 凝縮タンク
Ａ アンモニア
Ｖ１ 導入弁
Ｖ２ 背圧弁
Ｖ３ バイパス弁
Ｖ４、Ｖ５ 貯留弁
Ｖ６ 背圧弁
１１０ 圧力容器（混合ガス源）
１１１ 流通路
１１２ バイパス
１２０ コンデンサ
１２１ 冷却部
１２２ 導入口
１２３ 凝縮タンク
１２４ 貯留口
１２５ 貯留路
１３１、１３２ 貯留部
１３３、１３４ 重量計
１４５ 排出路
２２０ コンデンサ
２２４ サイフォン管
３２０ コンデンサ
３２３ 凝縮タンク
Ａ アンモニア
Ｖ１ 導入弁
Ｖ２ 背圧弁
Ｖ３ バイパス弁
Ｖ４、Ｖ５ 貯留弁
Ｖ６ 背圧弁
Claims (5)
- 混合ガスからアンモニアを分離回収するアンモニア回収装置であって、
高温高圧の混合ガス源から放出されるアンモニアおよびアンモニアより液化温度の低い気体で構成される混合ガスを冷却し、アンモニアを凝縮させるコンデンサと、
前記コンデンサの外部側に設けられ、前記コンデンサの冷却温度に応じて決まるアンモニアを凝縮させるのに必要な圧力を前記コンデンサに与える背圧弁と、
前記凝縮されたアンモニアを貯留する貯留部と、を備えることを特徴とするアンモニア回収装置。 - 前記コンデンサは、前記混合ガスを空冷または水冷で冷却することを特徴とする請求項１記載のアンモニア回収装置。
- 前記コンデンサは、前記混合ガスを冷却する冷却部およびアンモニアを凝縮して一時的に貯留する凝縮タンクを有し、
前記凝縮タンクは、底部に、前記貯留部へ向かうアンモニアの流通路を有することを特徴とする請求項２記載のアンモニア回収装置。 - 前記コンデンサは、前記混合ガスを５６℃未満に冷却することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のアンモニア回収装置。
- 混合ガスからアンモニアを分離回収するアンモニア回収方法であって、
高温高圧の混合ガス源から放出されるアンモニアおよびアンモニアより液化温度の低い気体で構成される混合ガスを冷却しつつ、前記コンデンサの冷却温度に応じ、アンモニアを液化させるのに必要な圧力を与え、アンモニアを凝縮させるステップと、
前記凝縮されたアンモニアを貯留するステップと、を含むことを特徴とするアンモニア回収方法。
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