JP2000203806A - 高濃度オゾンの供給方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高純度酸素ガスの消費量をほとんど増加させ
ずに窒素酸化物の発生を抑制することができ、しかも、
設備コストや運転コストの低減も図れる高濃度オゾンの
供給方法及び装置を提供する。 【解決手段】 脱着工程を行っている吸着筒に導入する
掃気ガスとして、前半は非高純度酸素ガスを、後半は高
純度酸素ガスを使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高濃度オゾンの供
給方法及び装置に関し、詳しくは、パルプの漂白や水処
理等、比較的高濃度のオゾンを利用する設備に高濃度オ
ゾンを供給するための方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】オゾンは、空気，酸素富有ガスあるいは
酸素ガスを原料ガスとして、オゾン発生器での高電圧無
声放電により発生させている。しかしながら、高電圧無
声放電で得られるオゾン濃度は、酸素ガスを原料ガスと
して使用した場合でも１５質量％以下であり、通常は、
効率を考慮して６〜７質量％、多くても１０質量％程度
のオゾン濃度で使用先に供給されている。

【０００３】一方、オゾンの使用先では、オゾンによる
処理の効率向上を図るため、より高濃度のオゾンが望ま
れている。このため、オゾン発生器で発生したオゾン含
有ガスを濃縮して高濃度でオゾンを供給する手段が考案
されている。

【０００４】例えば、オゾンは、シリカゲル等の吸着剤
に低温で吸着するという性質を有していることから、こ
の性質を利用して温度変動式吸着分離（ＴＳＡ）法によ
りオゾンと酸素とを分離し、比較的高濃度のオゾンを得
ることが行われている。さらに、オゾンから分離した酸
素を無駄に排出せず、これをオゾン発生器に循環させる
ことにより、オゾン原料として再利用することも行われ
ている。

【０００５】上記ＴＳＡ法によるオゾンの濃縮は、一般
に、シリカゲル等のオゾンを優先的に吸着する吸着剤を
充填した複数の吸着筒を用いて行われており、オゾン発
生器で発生させたオゾンを含有する酸素ガスを低温に冷
却した前記吸着筒に導入して該酸素ガス中のオゾンを前
記吸着筒内の吸着剤に吸着させるとともに、該吸着筒を
導出する酸素ガスを原料の高純度酸素ガスに混合して前
記オゾン発生器に導入するオゾン吸着・酸素循環再利用
工程と、該工程を終了した吸着筒を加温しながら掃気ガ
スを導入して前記吸着剤に吸着したオゾンを脱着させ、
該掃気ガスにオゾンを同伴させてオゾン消費先に供給す
るオゾン脱着・供給工程とを交互に繰返すことにより高
濃度オゾンを供給するようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記脱
着工程で使用する掃気ガスには、高純度酸素ガスに比べ
て安価で入手も容易な低純度酸素ガス、例えば酸素ＰＳ
Ａ（圧力変動吸着式酸素発生装置）で発生させた低純度
酸素ガスを使用することが多かった。ところが、酸素Ｐ
ＳＡからの低純度酸素ガスには、通常、窒素ガスが数％
含まれており、また、前記オゾン脱着・供給工程を終え
た吸着筒内には、この低純度酸素ガスが残留した状態に
なっている。このため、次のオゾン吸着・酸素循環再利
用工程でオゾン含有酸素ガスを吸着筒内に導入すると、
吸着筒内に残留した低純度酸素ガスが吸着筒から導出し
て原料の高純度酸素ガスに混合され、窒素ガスがオゾン
発生器に流入して窒素酸化物が発生することになる。

【０００７】この窒素酸化物は、吸着剤を劣化させて装
置の性能を著しく低下させる原因となるから、従来は、
オゾン発生器と吸着筒との間に窒素酸化物除去装置を設
けて窒素酸化物が吸着筒内に導入されないようにしてい
た。しかし、窒素酸化物除去装置は、構造が複雑で高価
であるだけでなく、メンテナンスの手間や費用もかか
り、設備コストや運転コストに大きな影響を与ええてい
た。

【０００８】一方、前記掃気ガスとして高純度酸素ガス
を使用することにより、上述の窒素酸化物の発生を略完
全に抑えることはできるが、高純度酸素ガスを大量に消
費することになるため、この場合も運転コストが多大な
ものとなってしまう。

【０００９】そこで本発明は、高純度酸素ガスの消費量
をほとんど増加させずに窒素酸化物の発生を抑制するこ
とができ、しかも、設備コストや運転コストの低減も図
れる高濃度オゾンの供給方法及び装置を提供することを
目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の高濃度オゾンの供給方法は、オゾン発生器
で発生させたオゾンを含有する酸素ガスを低温に冷却し
た吸着筒に導入して該酸素ガス中のオゾンを前記吸着筒
内の吸着剤に吸着させるとともに、該吸着筒を導出する
酸素ガスを原料の高純度酸素ガスに混合して前記オゾン
発生器に導入するオゾン吸着・酸素循環再利用工程と、
該工程を終了した吸着筒を加温しながら掃気ガスを導入
して前記吸着剤に吸着したオゾンを脱着させ、該掃気ガ
スにオゾンを同伴させてオゾン消費先に供給するオゾン
脱着・供給工程とを交互に繰返して高濃度オゾンを供給
する方法において、前記掃気ガスとして、前記オゾン脱
着・供給工程の前半は非高純度酸素ガスを、後半は高純
度酸素ガスを使用することを特徴としている。

【００１１】また、本発明の高濃度オゾンの供給装置
は、オゾン原料となる高純度酸素ガスを供給する高純度
酸素ガス供給源と、該高純度酸素ガス供給源から供給さ
れる高純度酸素ガスを原料としてオゾンを発生するオゾ
ン発生器と、オゾンを優先的に吸着する吸着剤が充填さ
れ、オゾン発生器で発生したオゾンを相対的に低温の吸
着工程で吸着し、相対的に高温の脱着工程で脱着する操
作が交互に行われる吸着筒と、前記吸着工程で吸着剤に
吸着せずに吸着筒から導出した酸素ガスを前記高純度酸
素ガス供給源から供給される高純度酸素ガスに混合する
酸素循環経路と、前記脱着工程で吸着剤から脱着したオ
ゾンを同伴して吸着筒から導出するための掃気ガスを吸
着筒内に導入する掃気ガス導入経路と、吸着筒から導出
したオゾン同伴掃気ガスをオゾン消費先に供給するオゾ
ン供給経路とを備えるとともに、前記掃気ガス導入経路
に、非高純度酸素ガス供給源と高純度酸素ガス供給源と
を切換弁を介して切換え可能に接続したことを特徴とし
ている。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の高濃度オゾン供給
装置の一形態例を示す概略系統図である。この高濃度オ
ゾン供給装置は、シリカゲル等の吸着剤を充填した２基
の吸着筒Ａ，Ｂを、吸着工程と脱着工程とに交互に切換
えてオゾンを濃縮するものであって、オゾンを発生する
ためのオゾン発生器１と、オゾン原料である高純度酸素
ガスを供給するための高純度酸素供給源２と、掃気ガス
として使用する非高純度酸素ガス、例えば低純度酸素ガ
スを供給するための酸素ＰＳＡ３と、酸素ガスを循環再
利用するための循環ポンプ４とを備えている。

【００１３】また、各吸着筒Ａ，Ｂには、オゾン含有酸
素導入経路１１ａ，１１ｂと、循環酸素導出経路１２
ａ，１２ｂと、掃気ガス導入経路１３ａ，１３ｂと、濃
縮オゾン導出経路１４ａ，１４ｂとがそれぞれ接続され
ており、これらの各経路には、吸着筒Ａ，Ｂの工程を切
換える際に所定の手順で開閉する切換弁２１ａ，２１
ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ
がそれぞれ設けられている。

【００１４】前記循環酸素導出経路１２ａ，１２ｂは、
前記循環ポンプ４を備えた酸素循環経路１５に合流した
後、高純度酸素供給源２からオゾン発生器１に高純度酸
素ガスを供給する原料酸素供給経路１６に接続してい
る。さらに、前記掃気ガス導入経路１３ａ，１３ｂに
は、前記酸素ＰＳＡ３で発生した低純度酸素ガスを導入
する低純度酸素導入経路１７と、高純度酸素供給源２か
らの高純度酸素ガスを導入する高純度酸素導入経路１８
とが接続されており、低純度酸素導入経路１７及び高純
度酸素導入経路１８には、切換え開閉される切換弁２
７，２８がそれぞれ設けられている。

【００１５】なお、図示は省略するが、各吸着筒Ａ，Ｂ
には、吸着剤を冷却するための冷却手段、例えば、液体
酸素や液体窒素を冷却源とする冷却ジャケットや、加熱
手段、例えば電気ヒーターが設けられている。また、濃
縮オゾン導出経路１４ａ，１４ｂに導出した濃縮オゾン
をオゾン消費先に供給するオゾン供給経路１９には、オ
ゾン濃度を安定化させるための濃度安定器を設けること
ができる。さらに、３基以上の吸着筒を使用することも
できる。

【００１６】このように形成された高濃度オゾン供給装
置は、上記各切換弁を所定の順序で切換開閉し、各吸着
筒を冷却又は加温することにより、前記吸着筒Ａ，Ｂ
を、オゾン発生器１で発生させたオゾンを含有する酸素
ガスを低温に冷却した吸着筒に導入してオゾンを吸着剤
に吸着させ、吸着剤に吸着しなかった酸素ガスを高純度
酸素ガスに混合して循環再利用するオゾン吸着・酸素循
環再利用工程と、吸着筒を加温しながら掃気ガスを導入
して前記工程で吸着剤に吸着したオゾンを脱着させ、該
掃気ガスにオゾンを同伴させてオゾン消費先に供給する
オゾン脱着・供給工程とに交互に切換えることにより、
連続的に濃縮オゾンを供給することができる。

【００１７】次に、上記装置を用いて、オゾンを所定濃
度に濃縮して供給する操作手順を説明する。なお、最初
の段階では、吸着筒Ａがオゾン吸着・酸素循環再利用工
程、吸着筒Ｂが脱着・供給工程にあるものとする。

【００１８】このとき、オゾン吸着・酸素循環再利用工
程にある吸着筒Ａのオゾン含有酸素導入経路１１ａの切
換弁２１ａ及び循環酸素導出経路１２ａの切換弁２２ａ
が開、脱着・供給工程にある吸着筒Ｂの掃気ガス導入経
路１３ｂの切換弁２３ｂ及び濃縮オゾン導出経路１４ｂ
の切換弁２４ｂが開、さらに、この工程の前半では低純
度酸素導入経路１７の切換弁２７が開であり、その他の
切換弁は全て閉となっている。また、この工程の後半で
は、前記切換弁２７が閉となり、高純度酸素導入経路１
８の切換弁２８が開となる。なお、吸着筒Ａは、所定温
度に冷却されており、吸着筒Ｂは所定の昇温パターンで
所定温度に加熱される。

【００１９】高純度酸素供給源２から原料酸素供給経路
１６を通り、酸素循環経路１５からの循環酸素と合流し
た高純度酸素ガスは、オゾン原料としてオゾン発生器１
に導入され、該オゾン発生器１での高電圧無声放電によ
り酸素の一部がオゾン化してオゾン含有酸素ガスとな
り、吸着筒Ａのオゾン含有酸素導入経路１１ａ，切換弁
２１ａを経てオゾン吸着・酸素循環再利用工程にある吸
着筒Ａに導入される。これにより、該酸素ガス中のオゾ
ンが、例えば−８０℃に冷却保持されているシリカゲル
等の吸着剤に吸着する。

【００２０】また、吸着剤に吸着せずに吸着筒Ａを導出
した酸素ガスは、循環酸素導出経路１２ａ，切換弁２２
ａ，酸素循環経路１５，循環ポンプ４を通って原料酸素
供給経路１６の高純度酸素ガスに合流し、オゾン原料と
して循環再利用される。なお、オゾン発生器１で発生さ
せるオゾン含有酸素ガスのオゾン濃度は任意であるが、
オゾン発生器１の効率を考慮すれば、通常は、６〜７質
量％が適当である。

【００２１】一方、脱着・供給工程の前半にある吸着筒
Ｂでは、ヒーター等による吸着剤の加温と、酸素ＰＳＡ
３から低純度酸素導入経路１７，切換弁２７、掃気ガス
導入経路１３ｂ，切換弁２３ｂを経た低純度酸素ガスが
掃気ガスとして導入され、吸着剤から脱着したオゾン
は、掃気ガスに伴われて吸着筒Ｂから濃縮オゾン導出経
路１４ｂに導出し、切換弁２４ｂを経てオゾン供給経路
１９によりオゾン消費先に供給される。

【００２２】そして、この脱着・供給工程の前半段階を
所定時間行った後、切換弁２７，２８が切換え開閉され
て脱着・供給工程の後半段階に入る。この後半段階で
は、高純度酸素供給源２からの高純度酸素ガスが、高純
度酸素導入経路１８，切換弁２８を通って掃気ガス導入
経路１３ｂに供給され、切換弁２３ｂを経て吸着筒Ｂに
導入される。このとき、吸着筒Ｂ内のガス、すなわち、
吸着剤から脱着したオゾンと前半段階で導入された低純
度酸素ガスは、新たに導入される高純度酸素ガスによっ
て吸着筒Ｂから押し出され、濃縮オゾン導出経路１４
ｂ，切換弁２４ｂ，オゾン供給経路１９を経てオゾン消
費先に供給される。

【００２３】なお、高純度酸素供給源２から高純度酸素
導入経路１８，掃気ガス導入経路１３ａ，１３ｂを経て
吸着塔に高純度酸素ガスを導入する経路の圧力に比べ
て、循環ポンプ４からの酸素ガスと合流後に原料酸素供
給経路１６を経てオゾン発生器１に至る経路の圧力が低
い場合は、高純度酸素導入経路１８への分岐部と循環ポ
ンプ４からの合流部との間に、減圧弁２９を設けておけ
ばよい。

【００２４】図２は、吸着筒におけるガスの流れと筒内
のオゾン濃度分布とを示す模式図であって、斜線部がオ
ゾン濃度の高い部分を表している。まず、図２（Ａ）
は、吸着工程終了時の状態を示すもので、図において筒
入口側のオゾン含有酸素導入経路１１からオゾン含有酸
素ガス（Ｇ１）が導入されるとともに、筒出口側の循環
酸素導出経路１２から循環する酸素（Ｇ２）が導出され
ており、筒内の吸着剤は、筒出口側近傍までがオゾンＯ
_３で飽和した状態になっている。

【００２５】脱着工程に切換えられると、前半は、図２
（Ｂ）に示すように、筒出口側の掃気ガス導入経路１３
から掃気ガスとして低純度酸素ガス（Ｇ３）が導入さ
れ、吸着剤から脱着したオゾンを伴って筒入口側の濃縮
オゾン導出経路１４にオゾン濃縮ガス（Ｇ４）として導
出される。そして、この前半の段階、すなわち、低純度
酸素導入段階を所定時間行った後、前述のように、吸着
筒に導入する掃気ガスを高純度酸素ガスに切換え、図２
（Ｃ）に示すように、掃気ガス導入経路１３から掃気ガ
スとして高純度酸素ガス（Ｇ５）を導入する。これによ
り、前半段階で吸着筒内に導入された低純度酸素ガス
は、オゾンを同伴しながら濃縮オゾン導出経路１４に押
し出され、前半段階と同じオゾン濃縮ガス（Ｇ４）とし
て濃縮オゾン導出経路１４に導出され、オゾン消費先に
供給される。

【００２６】この高純度酸素ガスの導入を所定時間行う
ことにより、オゾン濃縮ガスの導出を継続しながら筒内
の低純度酸素ガス、すなわち、該低純度酸素ガスに含ま
れている窒素を筒外に排出することができる。したがっ
て、次のオゾン吸着・酸素循環再利用工程において筒内
のガスをオゾン発生器１に循環させて再利用しても、オ
ゾン発生器１で窒素酸化物が発生することがなくなる。

【００２７】これにより、従来のような窒素酸化物除去
装置を設置する必要がなくなり、設備コストや保守コス
トの削減を図れる。また、掃気ガスの全てに高純度酸素
ガスを使用する場合に比べて高純度酸素ガスの消費量が
少なくて済むので、運転コストを低減することができ
る。

【００２８】なお、掃気ガスとして低純度酸素ガス等の
非高純度酸素ガスを導入する期間と、高純度酸素ガスを
導入する期間とは、吸着筒の容積や形状、掃気ガスの流
量、脱着時の加温状態等の各種条件に応じて適宜に設定
されるものであり、通常は、高純度酸素ガス導入時に吸
着筒から導出されるオゾン濃縮ガスのオゾン濃度が所定
濃度になったときに、該オゾン濃縮ガスの窒素濃度がゼ
ロになるように設定することが好ましい。

【００２９】このような高純度酸素ガスによる筒内の掃
気（パージ）を終えた吸着筒は、脱着・供給工程から筒
内の吸着剤を吸着温度に冷却する冷却段階を経た後、オ
ゾン吸着・酸素循環再利用工程に切換えられ、オゾン吸
着・酸素循環再利用工程と脱着・供給工程とが繰返して
行われる。

【００３０】

【実施例】吸着剤としてシリカゲルを充填した内容積
０．０９ｍ^３の吸着筒を使用し、筒内圧力を０．５ＭＰ
ａ、各ガスの流量を０．０５Ｎｍ^３／ｍｉｎ、脱着時間
を１００分にそれぞれ設定した。この場合、掃気ガスの
全てに高純度酸素ガスを使用すると、その必要量は５Ｎ
ｍ^３となる。

【００３１】上記条件において、掃気ガスとして低純度
酸素ガスを使用する脱着工程前半と、掃気ガスとして高
純度酸素ガスを使用する脱着工程後半との時間配分を検
討した結果、脱着工程の後半を４０分間に設定すること
により、筒内の低純度酸素ガスを確実にパージできるこ
とを確認した。したがって、脱着工程で使用する高純度
酸素ガスの消費量を、従来の５Ｎｍ^３から２Ｎｍ^３に低
減することができた。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
脱着工程の掃気ガスとして窒素を含むガスを使用して
も、窒素がオゾン発生器に流入することがないので、設
備コストや運転コストが多大な窒素酸化物除去装置を設
置する必要がなく、掃気ガスの全てに高純度酸素ガスを
使用する場合に比べて高純度酸素ガスの消費量を大幅に
低減することができる。しかも、従来の装置に対して簡
単な配管及び切換弁の追加で実施することができるの
で、高濃度オゾンの供給を低コストで行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の高濃度オゾン供給装置の一形態例を
示す概略系統図である。

【図２】 吸着筒におけるガスの流れと筒内のオゾン濃
度分布とを示す模式図である。

【符号の説明】

Ａ，Ｂ…吸着筒、１…オゾン発生器、２…高純度酸素供
給源、３…酸素ＰＳＡ、４…循環ポンプ、１１ａ，１１
ｂ…オゾン含有酸素導入経路、１２ａ，１２ｂ…循環酸
素導出経路、１３ａ，１３ｂ…掃気ガス導入経路、１４
ａ，１４ｂ…濃縮オゾン導出経路、１５…酸素循環経
路、１６…原料酸素供給経路、１７…低純度酸素導入経
路、１８…高純度酸素導入経路、１９…オゾン供給経
路、２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３
ｂ，２４ａ，２４ｂ，２７，２８…切換弁、２９…減圧
弁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 オゾン発生器で発生させたオゾンを含有
   する酸素ガスを低温に冷却した吸着筒に導入して該酸素
   ガス中のオゾンを前記吸着筒内の吸着剤に吸着させると
   ともに、該吸着筒を導出する酸素ガスを原料の高純度酸
   素ガスに混合して前記オゾン発生器に導入するオゾン吸
   着・酸素循環再利用工程と、 該工程を終了した吸着筒を加温しながら掃気ガスを導入
   して前記吸着剤に吸着したオゾンを脱着させ、該掃気ガ
   スにオゾンを同伴させてオゾン消費先に供給するオゾン
   脱着・供給工程とを交互に繰返して高濃度オゾンを供給
   する方法において、 前記掃気ガスとして、前記オゾン脱着・供給工程の前半
   は非高純度酸素ガスを、後半は高純度酸素ガスを使用す
   ることを特徴とする高濃度オゾンの供給方法。
2. 【請求項２】 オゾン原料となる高純度酸素ガスを供給
   する高純度酸素ガス供給源と、該高純度酸素ガス供給源
   から供給される高純度酸素ガスを原料としてオゾンを発
   生するオゾン発生器と、オゾンを優先的に吸着する吸着
   剤が充填され、オゾン発生器で発生したオゾンを相対的
   に低温の吸着工程で吸着し、相対的に高温の脱着工程で
   脱着する操作が交互に行われる吸着筒と、前記吸着工程
   で吸着剤に吸着せずに吸着筒から導出した酸素ガスを前
   記高純度酸素ガス供給源から供給される高純度酸素ガス
   に混合する酸素循環経路と、前記脱着工程で吸着剤から
   脱着したオゾンを同伴して吸着筒から導出するための掃
   気ガスを吸着筒内に導入する掃気ガス導入経路と、吸着
   筒から導出したオゾン同伴掃気ガスをオゾン消費先に供
   給するオゾン供給経路とを備えるとともに、前記掃気ガ
   ス導入経路に、非高純度酸素ガス供給源と高純度酸素ガ
   ス供給源とを切換弁を介して切換え可能に接続したこと
   を特徴とする高濃度オゾンの供給装置。