JP2009099501A - ガス回収装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で効率よくＳＦ_６ガスから空気の分離・除去を実施し、絶縁ガス純度と保安圧力を維持すると同時に、回収作業時間の大幅な短縮化を図って、信頼性・安全性並びに作業性に優れたガス回収装置とその方法を提供する。
【解決手段】貯液タンク７の気相部内のガスを取出すガス取出しライン２０が設置され、ガス取出しライン２０にはバッファタンク３ｂを介して空気除去装置１５が接続されている。空気除去装置１５には空気放出用の真空ポンプ１３ｂと、ガス導入ライン２２が接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス絶縁機器に封入した高純度の絶縁ガスを液化回収するガス回収技術に係り、特に、絶縁ガスの純度維持と、液化ガス保管時の安全性向上を図ったガス回収装置及びその方法に関するものである。

一般に、ガス絶縁機器には絶縁媒体として絶縁ガスが封入されている。中でも、ＳＦ_６ガスは絶縁性能と消弧性能に優れており、化学的にも安定で無害な気体であるため、絶縁ガスとして広く用いられている。ただし、ＳＦ_６ガスは温室効果が高く、分解までの寿命も長いといった特徴がある。そこで現在では、地球環境保護の観点から、排出規制対象として指定されるに至っている。したがって、機器の試験後や現地での内部点検に際して、ガス絶縁機器からＳＦ_６ガスを抜く場合、これを大気開放するのではなく、大気中への放出を防いで出来るだけ回収する必要に迫られている。

ガス絶縁機器からＳＦ_６ガスを回収する場合、ガスの状態のままで回収する技術が提案されている。例えば特許文献１記載の技術では、分離膜によってＳＦ_６ガスの濃縮しつつガスの状態のままで回収している。また、特許文献２〜５のように、保管体積の縮小化を目指して、加圧装置でＳＦ_６ガスを加圧液化し、液体の状態で保管する技術も知られている。

上記の従来技術のうち、特許文献２〜４の技術は、ＳＦ_６ガスの使用量削減を目指して、絶縁ガスとして、ＳＦ_６ガスだけではなく、ＳＦ_６ガスに意図的に窒素ガス等を混合させた混合ガスを採用したガス絶縁機器に適用されており、この混合ガスを回収対象とした技術である。混合ガスをガス絶縁機器から取り出す場合は、分子篩効果を有する吸着材によって、前記混合ガスをＳＦ_６ガスとそれ以外のガスに分離し、ＳＦ_６ガスだけを液化回収するようになっている。

これに対し、特許文献５は、絶縁ガスとしてＳＦ_６ガスと窒素ガス等との混合ガスを用いるのではなく、純粋なＳＦ_６ガスを封入したガス絶縁機器に適用されており、純ＳＦ_６ガスを回収対象とした技術である。ガス絶縁機器からの回収ガスがＳＦ_６ガスだけであるならば、上記の混合ガスの場合とは違ってガス分離を行う必要は無いと考えられるが、実際には回収時に純ＳＦ_６ガスに空気が混入することがある。そのため、純ＳＦ_６ガスの回収装置でも回収ガスに対し、ＳＦ_６ガスと空気とを分離することが求められている。

ここで、ガス絶縁機器から純ＳＦ_６ガスを液化、回収するガス回収装置の従来例について、図９を参照して具体的に説明する。図９に示すように、ＳＦ_６ガスが封入されたガス絶縁機器１には手動バルブ１１ａを介して接続ホース２が接続されている。接続ホース２には手動バルブ１１ｂを介して電動バルブ１２ａが接続され、この電動バルブ１２ａには並列に電動バルブ１２ｂ、真空ポンプ１３ａ及び逆止弁２９からなる管路が接続されている。さらに電動バルブ１２ａ及び逆止弁２９の接続部にはバッファタンク３ａ、フィルタ４、減圧バルブ１４ａ、コンプレッサ５、熱交換器6、貯液タンク7が順次接続されている。

貯液タンク7には手動バルブ１１ｃ、１１ｄが設置されており、手動バルブ１１ｄを介して気化装置８、電動バルブ１２ｃ、減圧バルブ１４ｂ、ドライヤ９、フィルタ１０が接続されている。さらに、フィルタ１０は手動バルブ１１ｅを介して前記接続ホース２に接続されている。

以上の構成を有するガス回収装置において、ガス絶縁機器１からＳＦ_６ガスを回収する場合、ガス絶縁機器１内のガス圧が高い時には電動バルブ１２ａを開、電動バルブ１２ｂを閉とすることで、自動的にガス絶縁機器１内のＳＦ_６ガスをバッファタンク３ａに流す。そして、ある程度、バッファタンク３ａへのＳＦ_６ガスの回収が進み、ガス絶縁機器１のガス圧が大気圧近傍にまで低下した時点で、電動バルブ１２ａを閉、電動バルブ１２ｂを開とし、真空ポンプ１３ａによりＳＦ_６ガスを吸引してバッファタンク３ａへＳＦ_６ガスを送る。

続いて、バッファタンク３ａ内のＳＦ_６ガスを、フィルタ４を通してコンプレッサ５に送り、コンプレッサ５にて圧縮する。その後、熱交換器６にて冷却してＳＦ_６ガスを液化し、液化ＳＦ_６を貯液タンク７に貯蔵する。なお、貯液タンク７に貯蔵したＳＦ_６をガス絶縁機器１へ戻す場合は、手動バルブ１１ｄを開けて貯液タンク７内の液化ＳＦ_６を気化装置８へ送出し、気化装置８で加熱気化する。そして、気化したＳＦ_６ガスをドライヤ９、フィルタ１０を通し、接続ホース２を介してガス絶縁機器１に充填する。

ところで、ガス回収時において、回収対象のガス絶縁機器１内のガス圧力が高い時には、比較的スムーズにＳＦ_６ガスをガス回収装置側に導くことができるが、大気圧以下になった場合には真空ポンプ１３ａによる回収が必要となる。上記図９の従来例では、ガス絶縁機器１内に封入されたＳＦ_６ガスを高真空状態になるまで、真空ポンプ１３ａで引いてから回収しており、ＳＦ_６ガスの排出量を最大限削減している。

しかしながら、上記のような減圧回収を実施するため、回収するＳＦ_６ガス中に多少の空気が混入することが避けられなくなる。仮に真空引きで１３３Ｐａ− ａｂｓまで真空引きしたとしても、約０．１ ％の空気はガス絶縁機器１内部に残る。そのため、空気を含んだ状態でＳＦ_６ガスを液化、回収することになる。なお、純ＳＦ_６ガスへの空気混入量は一定ではなく、真空状態となったガス絶縁機器に対しては系外から空気が進入する可能性が高い。しかも、何らかのトラブル発生時にはＳＦ_６ガスへの空気混入量は極端に多くなることは否めない。

空気を含んだＳＦ_６ガスの液化回収を繰り返していくと、貯液タンク７内の上部には、液化できない空気が徐々に溜まっていき、それに応じてガス相のＳＦ_６ガス濃度は低くなる。このとき、貯液タンク７内では、液化したＳＦ_６に空気が常に触れることになり、液化ＳＦ_６の純度低下を招いた。貯液タンク７内の液化ＳＦ_６の純度が下がれば、貯液タンク７からガス絶縁機器１に戻した際のＳＦ_６ガスの純度も低下し、問題となっていた。

また、貯液タンク７内に空気が溜まっていくと、貯液タンク７に液化ＳＦ_６を溜める容積が少なくなって貯液タンク７内のガス圧が増大することになる。その結果、貯液タンク７の保安圧力を上回る心配があった。貯液タンク７内のガス圧を低減させるには、貯液タンク７内の気相部内のガスをパージすることが考えられる。

しかし、貯液タンク７内の気相部内のガスは蒸気圧分のＳＦ_６ガスを含んでいる。したがって、貯液タンク７内の気相部内のガスをそのまま大気中に放出することは環境への負荷が大きい。そもそも、ＳＦ_６ガスの回収目的が大気放出を避けるためであるのに、ＳＦ_６ガスを大気へ放出したのでは、ガス回収技術の意義が無くなる。

以上述べたように、純ＳＦ_６ガスをガス回収する装置では、減圧回収時にＳＦ_６ガスに空気が混入されるため、絶縁ガスの純度低下と、液化ガス保管時の保安圧力上昇が問題となっている。また、環境への負荷低減を鑑みて、ＳＦ_６ガスから分離した空気だけを大気中に放出することが求められている。

そこで、純ＳＦ_６ガスのガス回収装置に関しても、混合ガスのガス回収装置と同様に、回収ガスを分離する必要に迫られており、ＳＦ_６ガスから空気を分離してこれを除去し、高純度のＳＦ_６ガスだけを液化回収することが重要となっている。例えば、特許文献５は空気分離手段として中空糸膜フィルタを利用した技術である。

特開平１１−３４５５４５号公報 特開２００１−１４３５８０号公報 特開２００２−１２６４３７号公報 特開２００１−１１０２８４号公報 特開平１１−９９５１号公報

しかしながら、上記の従来技術には次のような問題点が指摘されていた。すなわち、混合状態にあるガス同士を完全に分離するには通常、長い時間がかかってしまう。そのため、空気分離手段が高性能であったにせよ、多量のＳＦ_６ガス中から空気を短時間で分離することは不可能であった。

つまり、ガス分離の律速段階となるガス分離工程が、全作業工程の時間を決める要因となっており、ガス回収時間の長期化が余儀なくされていた。しかも、特許文献５では、ガス分離を行う中空糸膜フィルタをガス回収装置全体の中間部分に配置している。このため、ガス回収作業全体に与える影響は大きく、回収作業の短縮化を図る観点から見て、不合理であった。

本発明は、上記の課題を解消するために提案されたものであり、その目的は、短時間で効率よくＳＦ_６ガスから空気の分離・除去を実施し、絶縁ガス純度と保安圧力を維持すると同時に、回収作業時間の大幅な短縮化を図って、信頼性・安全性並びに作業性に優れたガス回収装置とその方法を提供することにある。

本発明は、以上の目的を達成するために、提案されたものであり、絶縁ガスを封入したガス絶縁機器から前記絶縁ガスを吸引し送出する真空ポンプと、前記真空ポンプにより送出された前記絶縁ガスを圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサにて圧縮された前記絶縁ガスを冷却して凝縮液化させる液化手段と、前記液化手段にて液化された絶縁液を貯蔵する貯液タンクと、前記貯液タンクに貯蔵された前記絶縁液を気化させる気化手段と、前記気化手段にて気化された前記絶縁ガスを前記ガス絶縁機器に封入する絶縁ガス封入手段と、を有するガス回収装置において、前記貯液タンクの気相部内のガスを取出すガス取出し手段と、前記ガス取出し手段にて取り出したガス中に含まれる空気を除去する空気除去手段と、前記空気除去手段にて除去した空気を大気中に放出する空気放出手段と、前記空気除去手段によって空気を除去した後のガスを前記回収装置内に導くガス導入手段を設けたことを特徴とする。

以上の構成を有する本発明においては、まずガス絶縁機器から絶縁ガスを吸引してこれを液化して貯液タンクに溜め、貯液タンクの気相部内のガスを取り出して、そこから空気を除去する。このとき、回収対象である絶縁ガスの大部分は液化しており、気相部のガス中に存在する空気と蒸気圧分の絶縁ガスの分離を行うだけで済む。

つまり、本発明では、ガス絶縁機器から吸引した絶縁ガス全体とするのではなく、貯液タンクの気相部内のガスのみに絞って、ガス分離を実施している。したがって、空気を除去しようとするガスは非常に少量であり、空気除去にかかる作業時間を大幅に短縮することができる。

しかも、本発明は構成手段を貯液タンクに後から取り付けることが可能なので、既存のガス回収装置への適用が容易であり、高い実用性を発揮することができる。さらに、貯液タンクから空気を含むガスを定期的に抜くことで、タンク内の圧力を低下させることができ、高い安全性を確保可能である。また、ガス導入手段にて空気除去後のガスを再度コンプレッサに導くため、絶縁ガスの回収効率が良好であり、ガス純度の維持を実現することができる。

本発明のガス回収装置とその方法によれば、絶縁ガスを液化回収した貯液タンクの気相部からガスを抜き出し、このガスから空気を分離することによって、短時間で効率よく絶縁ガスから空気を除去可能であり、絶縁ガスの純度維持及び保安圧力の維持を実現すると共に、回収作業時間を大幅な短縮化して作業性の向上に寄与することができた。

以下、本発明に係る代表的な実施形態について、図１〜図８を参照して具体的に説明する。本実施形態は、図９にて示した従来例と同様、ガス絶縁機器１から純ＳＦ_６ガスを液化、回収するガス回収装置に適用したものであって、バッファタンク３ａと貯液タンク７との間に貯液タンク７内に溜った空気を除去する装置を取り付けた点に特徴がある。なお、前述の図９と同一部材に関しては同一の符号を付して説明は省略する。

（Ａ）本実施形態の構成
（Ａ−１）全体構成
図１は本実施形態の全体構成を示している。図１に示すように、貯液タンク７の上部には貯液タンク７の気相部内のガスを取出すガス取出しライン２０が設置されている。ガス取出しライン２０にて取り出す貯液タンク７の気相部内のガスは、前述した様に、ガス回収時に真空ポンプ１３ａによる真空引きにより空気が混入された状態にある。ガス取出しライン２０には手動バルブ１１ｆ、減圧バルブ１４ｃを介してバッファタンク３ｂが接続されている。

更にバッファタンク３ｂの下流には空気除去装置１５が接続されている。空気除去装置１５の構成に関しては後段で詳述する。空気除去装置１５には、真空ポンプ１３ｂと、ガス導入ライン２２が接続されている。真空ポンプ１３ｂは、空気除去装置１５によって除去した空気を大気中に排気する空気放出手段である。真空ポンプ１３ｂの排気側にはＳＦ_６ガスを捕集するために、孔径１０Åタイプのゼオライト系の吸着材２１ａを充填した二次吸着筒２１が設置されている。二次吸着筒２１の内部構成に関しては図５に示す。

ガス導入ライン２２は、空気除去装置１５によって空気を除去した後のガスを、バッファタンク３ａを介してコンプレッサ５に導く手段であり、ここには手動バルブ１１ｇが設置されている。また、ガス導入ライン２２には一時的にガスを溜めるガスタンク２３が設置されている。

ガスタンク２３は、大気圧に保たれるようになっており、内部圧力が所定値を超えた場合にガスタンク２３内のガスをガス導入ライン２２に戻すように構成されている。さらに、ガスタンク２３には酸素濃度計２４が取り付けられている。酸素濃度計２４はガスタンク２３内のガスの酸素濃度を測定し、測定信号を空気除去装置１５に与えるようになっている。空気除去装置１５では、酸素濃度計２４からの測定信号に基づいて、ガス導入ライン２２を通過するガス中に酸素が混入しているか否かを判別し、後述する空気除去動作を制御するように構成されている。

（Ａ−２）空気除去装置１５
空気除去装置１５について、図２を用いて詳しく説明する。図２に示すように、空気除去装置１５は、空気分離槽１５ａ、１５ｂが複数（図２では便宜上、２つ示す）設けられた圧力スイング吸着方式を採用しており、各空気分離槽１５ａ、１５ｂは空気を分離するための選択的吸着材１６を充填している。

圧力スイング吸着方式とは、吸着材１６の吸着量がガス圧力に比例することを基本原則にし、空気分離槽１５ａ、１５ｂの加圧と減圧を交互に繰返す方式である。すなわち、一方の空気分離槽１５ａでＳＦ_６ガスと空気を分離している間に、他の空気分離槽１５ｂを減圧状態して吸着能力の再生を図り、これにより連続的なＳＦ_６ガスの分離、精製を実施するようになっている。

空気除去装置１５は、ガスタンク２３に取り付けられた酸素濃度計２４から測定信号を受け取り、酸素濃度計２３の測定した酸素濃度に基づいてガス導入ライン２２を通過するガス中における酸素の有無を判別して、吸着材１６の吸着性能が飽和したか否かを判定するようになっている。そして、判定結果にしたがって空気分離槽１５ａ、１５ｂに接続されたバルブＢ１〜Ｂ６の開閉制御を行い、空気分離槽１５ａ、１５ｂの加圧と減圧に関する圧力制御をリアルタイムで実施するようになっている。

（Ａ−３）空気除去装置１５のバルブＢ１〜Ｂ６
続いて、空気除去装置１５のバルブＢ１〜Ｂ６について、図２を参照して説明する。空気分離槽１５ａにはバルブＢ１、Ｂ２、Ｂ５が、空気分離槽１５ｂにはバルブＢ３、Ｂ４、Ｂ６が、それぞれ接続されている。このうち、バルブＢ１、Ｂ３は、ガス取出しライン２０と空気分離槽１５ａ、１５ｂとの間に設置されており、ガス取出しライン２０を通過したガス、つまり空気の混入したＳＦガスを、空気分離槽１５ａ、１５ｂに導入させるためのものである。

また、バルブＢ２、Ｂ４は、真空ポンプ１３ｂと空気分離槽１５ａ、１５ｂとの間に設置されており、空気分離槽１５ａ、１５ｂの通過により空気が除去されたガスを、真空ポンプ１３ｂへと導くためのものである。さらに、バルブＢ５、Ｂ６は、ガス導入ライン２２ａと空気分離槽１５ａ、１５ｂとの間に設置されており、空気分離槽１５ａ、１５ｂを通過して空気が除去されたガスを、バッファタンク３ａへと導くためのものである。

（Ａ−４）吸着材１６
空気分離槽１５ａ、１５ｂ内の選択的吸着材１６について、図３、図４を用いて説明する。吸着材１６は、孔径のサイズにより特異な選択吸着性を示すゼオライト系材料から構成されており、ここでは空気を構成する窒素ガスや酸素ガスとＳＦ_６ガスを分離するように、孔径５Åのものが用いられている。

ゼオライトとは、一般式ＭｅＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ｍＳｉＯ_２・ｎＨ_２Ｏで示される含水アルミノケイ酸塩鉱物群の総称であり、その結晶内に均一な細孔(空洞)を有し、この細孔よりも小さい分子のみを空洞内部に吸着することで、優れた選択吸着性（分子篩効果という）を発揮する部材である。

図３は吸着材１６によるガスの分離原理を示している。すなわち、ＳＦ_６ガスと、空気の主成分である窒素や酸素ガスとでは、分子の大きさがかなり異なっている。具体的には、ＳＦ_６分子はＤＳ５．４９Å〜ＤＬ６．０６Å、窒素分子はＤＳ３．１Å〜ＤＬ４．２Åで、酸素分子はＤＳ２．８Å〜ＤＬ４．３Åで、窒素分子とほぼ同じ大きさである（ＤＳは分子の短い方の長さ、ＤＬは分子の長い方の長さを示す。単位はオングストローム）。

吸着材１６として孔径が５Åのものを使用した場合、ＳＦ_６ガスは、表面にある細孔を通れずゼオライト内部には入れないため、吸着材１６内部に吸着されることはない。これに対して、窒素や酸素ガスは、表面にある細孔を通り抜けゼオライト内部には入って、吸着材１６内部に吸着される（図３参照）。なお、図４は、吸着材１６の分子篩効果を説明するためのグラフであり、各種ゼオライトの細孔径と各種ガス分子径の関係を表している。グラフにおいて横軸はゼオライトの細孔径、縦軸は吸着される代表的な分子を示す。

（Ｂ）ガス回収方法
以上のような本実施形態は、次のようにして、ガス回収を実施する。まず、図１において、図９に示した従来例と同様、ガス絶縁機器１からＳＦ_６ガスを回収し、コンプレッサ５による圧縮ステップ、熱交換器６による冷却ステップを経て、ＳＦ_６ガスを液化し、液化ＳＦ_６を貯液タンク７に貯蔵する。

（Ｂ−１）ガス取出しステップ
このように液化ＳＦ_６を貯液タンク７に貯蔵した状態から、本実施形態では、手動バルブ１１ｆ、減圧バルブ１４ｃを動作させ、貯液タンク７の気相部内のガスをバッファタンク３ｂに取出す。

（Ｂ−２）空気除去ステップ
バッファタンク３ｂに取り出したガスは、前述した様にガス回収時に真空ポンプ１３ａによる減圧回収により空気を含んでいるため、空気除去装置１５を通過させて空気を除去する。空気除去装置１５のバルブＢ１〜Ｂ６のうち、空気除去を行う前の状態では、空気分離槽１５ａのバルブＢ１は開の状態である。

また、空気分離槽１５ｂのバルブＢ４も開の状態で真空ポンプ１３ｂに連結して減圧処理されている。その他のバルブＢ２、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ６は閉の状態になっている。空気除去装置１５は、この状態から次のようなバルブＢ１〜Ｂ６の運転パターンに実施して空気の分離、除去を行う。

すなわち、バルブＢ１が開状態なので、ガス取出しライン２０を通る空気混入のＳＦ_６ガスを、配管に沿って空気分離槽１５ａ内に導く。空気分離槽１５ａでは吸着材１６の分子篩効果により、吸着材１６は分子径の小さい窒素と酸素ガスを選択的に吸着する。したがって、分子径の大きなＳＦ_６ガスは徐々に濃度を上げながら図２の上方に流れていく(図２中の実線矢印方向)。

最終的に、空気分離槽１５ａの上部では、高濃度のＳＦ_６ガスが通過していくことになり、バルブＢ５を開にしてＳＦ_６ガスを、ガス導入ライン２２に導き、バッファタンク３ａへと回収する。吸着材１６の吸着性能が飽和した時点で、バルブＢ１を閉とし、ガス取出しライン２０から空気分離槽１５ａへの混合ガスの流入を止める。と同時に、バルブＢ５も閉として、バッファタンク３ａへのＳＦ_６ガス回収を止める。

一方、この時期、空気分離槽１５ｂは、真空処理により減圧状態にあり、吸着していた窒素と酸素ガスを放出(図２中の破線矢印方向)して、初期の吸着能力の回復した再生状態にある。空気分離槽１５ａにおいて濃縮されたＳＦ_６ガスの回収が終わった時点で、バルブＢ３を開とし、ガス取出しライン２０からの空気混入ＳＦ_６ガスの流路を、空気分離槽１５ａ側から空気分離槽１５ｂ側に切り変える。

今度は、空気分離槽１５ｂ内の吸着材１６に空気が吸着除去されることによりＳＦ_６ガスが濃縮し、バルブＢ６を開として、高濃度のＳＦ_６ガスをガス導入ライン２２に導き、バッファタンク３ａへと回収することになる。空気分離槽１５ｂ内の吸着材１６の吸着性能が飽和した時点で、バルブＢ３を閉とし、ガス取出しライン２０から空気分離槽１５ｂへの混合ガスの流入を止める。と同時に、バルブＢ６も閉として、バッファタンク３ａへのＳＦ_６ガス回収を止める。

そして、前サイクルとは逆に、空気分離槽１５ａ側は、減圧処理し、窒素と酸素ガスを吸着材１６から離脱、排出すると共に、吸着材は再生されて吸着能力が回復した再生状態になる。空気分離槽１５ｂにおいて濃縮されたＳＦ_６ガスの回収が終わった時点で、バルブＢ１を開とし、ガス取出しライン２０からの空気混入ＳＦ_６ガスの流路を、空気分離槽１５ｂ側から空気分離槽１５ａ側へと切り変える。

各空気分離槽１５ａ、１５ｂ中の吸着材１６に吸着されたガスは、分子の大きさが吸着材の孔径より小さい窒素と酸素ガスだけが吸着材１６内部に入り、空気分離槽１５ａ、１５ｂを加圧して内部圧力が高くなるほど、吸着量は増大する（吸着材１６の吸着工程）。なお、吸着材１６の孔径サイズとしては、吸着対象ガス分子の大きさと吸着材の細孔径の違いを応用したものであるから、当然孔径３．８Å〜5Åの範囲のものが使用できるが、本実施形態で採用した５Åの吸着材１６は、３．８Åの吸着材と比べて窒素や酸素ガスの吸着速度が約２倍と速く、回収効率が良好である。

一方、空気分離槽１５ａ、１５ｂを減圧する時には、窒素と酸素ガスが吸着材１６から離脱する。これにより、吸着材１６は当初の吸着性能が回復した状態に再生される（吸着材１６の再生工程）。したがって、空気の混入したＳＦガスを空気分離槽１５ａ、１５ｂに再度導入すると、前回と同様、吸着材１６が窒素と酸素ガスを吸着することができる。このような吸着と再生の工程を、吸着材１６にて交互に繰り返すことにより、空気分離槽１５ａ、１５ｂでは原理的には半永久的にガスの分離が可能になる。

ところで、以上のような切替動作を実施する空気除去装置１５は、酸素濃度計２４からの信号により圧力スイング吸着操作のバルブＢ１〜Ｂ６の開閉制御や、空気分離槽１５ａ、１５ｂの加圧・減圧の圧力制御を行っている。一般に、混合ガスの分離処理を実施する場合、混合ガスを構成する各ガスの濃度が一定であれば、所定時間毎か、あるいは混合ガスの所定流量毎に、空気分離槽１５ａ、１５ｂの切替動作を行うのが普通である。

しかしながら、空気除去装置１５に取り込まれる貯液タンク７の気相部内のガスに関しては、ＳＦ_６ガスに混入する空気の濃度は一定ではなく、更に空気除去装置１５によって空気を排除していくに従ってその濃度が随時変動していく。したがって、空気除去装置１５における空気分離槽１５ａ、１５ｂの切替動作を、所定時間毎か、あるいは混合ガスの所定流量毎に行っても意味が無く、切替タイミングを正確に掴むことができない。

そこで本実施形態では、ガス導入ライン２２側に酸素濃度計２４を取り付け、この酸素濃度計２４の測定結果から、ガス導入ライン２２を通過するガス中に酸素が混入しているか否かを判別し、空気除去装置１５における空気分離槽１５ａ、１５ｂの切替タイミングを把握している。

すなわち、各空気分離槽１５ａ、１５ｂに充填された吸着材１６の吸着性能が飽和状態に達した場合、ガス導入ライン２２に酸素ガスが流れてくるので、酸素濃度が急上昇する。このようにして、酸素濃度計２４により吸着材１６の飽和時点がわかる。したがって、分離処理対象である、貯液タンク７の気相部内のガスの濃度が変動しても、空気除去装置１５における空気分離槽１５ａ、１５ｂの切替タイミングをリアルタイムで制御できることができる。

ところで、空気除去装置１５の切替制御を司る酸素濃度計２４は、大気圧仕様のものである。これに対して、ガス回収装置の系内のガス圧力は一般的に数気圧以上ある。したがって、酸素濃度計２４の測定時には、時々吹き流して測定対象となるガスを大気圧とした上で酸素濃度を測定する必要がある。

そこで本実施形態では、内部圧力を大気圧に保ったガスタンク２３をガス導入ライン２２に設け、このガスタンク２３に酸素濃度計２４を設置して、ガス導入ライン２２を通過するガス中の酸素濃度を測定している。なお、ガスタンク２３内のガスは所定圧力を超えた場合にはガス導入ライン２２に戻す。

以上のような本実施形態によれば、高濃度ＳＦ_６をガス導入ライン２２から大気中に放出することなく、大気圧仕様の酸素濃度計２４でも正確な酸素濃度測定が可能となる。その結果、環境への負荷を増大させることなく、空気除去装置１５を的確に切替制御することができ、環境調和性と動作信頼性が向上する。

（Ｂ−３）空気放出ステップ
上述したように、空気除去装置１５は、ある時点で一方の空気分離槽１５ａ（１５ｂ）によるＳＦ_６ガスの回収を終えて、減圧に切り替えて当該空気分離槽１５ａ（１５ｂ）内の吸着材１６に吸着している空気の排出を行う。

このとき、空気分離槽１５ａ（１５ｂ）中には移動途中のＳＦ_６ガスが存在し、また、吸着材１６の間や表面等に浮遊しているＳＦ_６ガスがある。したがって、ＳＦ_６ガスの一部は、どうしても減圧により空気分離槽１５ａ（１５ｂ）から排出する空気中に混入する。混入するＳＦ_６ガスの濃度は、導入している処理ガスの濃度にも依存する。

実験調査例を表１に示す。今回精製が必要な空気分離装置に導入するＳＦ_６ガス濃度は、貯液タンク７上部のガスを回収したものである。その濃度はコンプレッサ５により加圧される圧力と熱交換器６による冷却温度により液化可能な空気を含んだＳＦ_６ガス濃度が決まる。

例えば、圧力３．５Ｍｐａまで加圧し、そして０℃まで冷却した場合、濃度４０％〜５０％は液化できるので、それ以下の濃度のガスが空気除去装置１５側に入ってくることになる。表１に従うと、空気除去装置１５で貯液タンク７上部のガスの分離操作が行われた後、空気除去装置１５から排出される空気側のＳＦ_６ガス濃度は５％〜１０％となる。

そこで本実施形態では、空気除去装置１５から排出される空気中に含まれるＳＦ_６ガスを捕集するために、図５で詳細に示すように二次吸着筒２１が設置されている。二次吸着筒２１ではゼオライト系吸着材２１ａにて、空気除去装置１５からの排出空気からＳＦ_６ガスを選択的に吸着する。ここでは、ゼオライト系の吸着材２１ａとして孔径１０Åタイプを用いている。

先にゼオライトの分子篩効果について述べたが(図２〜図４参照)、ゼオライトの細孔に入るガス分子の大きさであれば、このガスを吸着する。しかし、ゼオライト結晶構造中には金属陽イオンを包蔵し、これが極性基を静電気的に引き付けたり、分極性分子を分極して引き付ける作用を示す。このため、ガス分子の持っている分極の特性と相まって、吸着力に差ができる。

この視点も含めて１０Åゼオライト系の吸着材に対する各分子の吸着力の順位について述べると、ＨＦ≫Ｈ_２Ｏ＞ＳＯ_２＞ＳＯＦ_２、(ＳＯ_２Ｆ_２) ＞（ＣＯ）＞ＣＯ_２＞ＳＦ_６＞ＣＦ_４＞Ｎ_２＞Ｏ_２＞Ａｒ（アルゴン）＞Ｈ_２の順番になる。したがって、ＳＦ_６ガス、窒素ガス、酸素ガスの今回対象としている全てのガスより孔径の大きい１０Åタイプの吸着材２１ａを用いることで、各ガスの吸着のし易さは、分子の大きさよりも吸着力に支配されるようになる。その結果、窒素や酸素よりもＳＦ_６ガスの方がより強く、吸着材２１ａに吸着されることになる。

（Ｂ−４）ガス導入ステップ
一方、空気除去装置１５を経てＳＦ_６ガスと、窒素および酸素ガスに分離されたガスのうち、高純度のＳＦ_６ガスは、ガス導入ライン２２を通ってバッファタンク３ａに回収されていく。

バッファタンク３ａに回収されたＳＦ_６ガスは、ここでガス絶縁機器１から回収されたＳＦ_６ガスと混合され、フィルタ４を通してコンプレッサ５に送られ、コンプレッサ５にて圧縮される。その後、熱交換器６にて冷却されて液化され、液化ＳＦ_６として貯液タンク７に貯蔵される。

（Ｃ）作用効果
以上のような本実施形態は、次のような作用効果を有している。すなわち、ガス絶縁機器１から純粋なＳＦ_６ガスを回収する場合、減圧回収時にＳＦ_６ガスに空気が混入するが、この空気を除去するステップを、ＳＦ_６ガスの液化後に実施している。これにより、空気除去の対象となるガスを、ガス絶縁機器１から吸引したＳＦ_６ガス全量とするのではなく、貯液タンク７の気相部内のガスに限定することができる。

つまり、ガス絶縁機器１から回収したＳＦ_６ガスの大部分は液化しており、貯液タンク７において気相部のガス中に存在する空気と蒸気圧分のＳＦ_６ガスの分離を行うだけで良い。このため、空気除去対象となるガス量を大幅に減らして、空気除去作業を迅速に実施することができる。

しかも、本実施形態の主要構成部材である空気除去装置１５、ガス取出しライン２０、ガス導入ライン２２は、貯液タンク７に簡単に取り付け可能であり、現状のガス回収装置への付加が容易である。さらに、貯液タンク７から空気を含むガスを定期的に抜くようにしているので、貯液タンク７の保安圧力を常に一定に保つことができ、優れた安全性を得ることできる。また、ガス導入ライン２２を通じて、空気除去後の高濃度のＳＦ_６ガスをコンプレッサに回収するため、ＳＦ_６ガスの回収効率を高めることができ、ＳＦ_６ガスの純度維持に寄与することができる。

（Ｄ）他の実施形態
なお、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、各部材の構成や配置、材料等は適宜変更可能である。例えば、吸着材は、混合ガスを分離する点では分離膜と同じであるが、分離膜に比べて耐用寿命の点で有利である。

また、前記図３に示した吸着材１６によるガスの分離原理では、窒素と酸素とＳＦ_６ガスの分子の大きさだけを基準として説明したが、さらに細かく見ると窒素分子と酸素分子の吸着性にも違いがある。そこで、それぞれの吸着性能に適した異なった種類(グレード)の吸着材１６をガスの混合比に従って混合して、空気除去装置１５に充填することで、空気の分離性能及び絶縁ガスの回収性能をいっそう高めることができる。

また、図６に示すように、空気放出手段である真空ポンプ１３ｂの排気側に二次吸着筒２１を２１−１、２１−２、…、２１−５のように複数個直列に接続してもよい。さらに、二次吸着筒２１を通過後のガス中のＳＦ_６ガスを検知するガス検知器３０を取り付けても良い。

ここで、複数個の二次吸着筒２１（２１−１、２１−２、…、２１−５）の捕集能力の効果や、ガス検知器３０によるモニタ性能について、実験データを用いて具体的に説明する。図７においてボンベ２５には５％濃度の標準のＳＦ_６／Ｎ_２混合ガスが高圧で充填されている。ＳＦ_６ガスを捕集する二次吸着筒２１は５連シリーズ接続のカラムから構成した。実験では、各カラムの吸着状態を知ることができるように特別に各出口にガス採取用口を付け、ガスを採取して分析できるようにした（ 実験のためのガスサンプリング位置は、図７の破線矢印で示す）。なお、符号３１は積算流量計である。

二次吸着筒２１の各カラムは、φ９０ｍｍ×５５０ｍｍ長さの筒状で、この中に孔径１０Åの合成ゼオライト２１ａが約２ｋｇずつ充填されている。ガス流量計で前記５％濃度の標準のＳＦ_６ガスを約6リットル／分の流速でカラム内を通過させ、所定時間経過毎に、排出口からガスサンプリングを行いガスクロマト（ＧＣ）分析を行い、ＳＦ_６ガス吸着状況の推定を行った。試験開始から９．５時間までＳＦ_６ガスは排出されず、この間流れた混合ガス中のＳＦ_６ガスがカラム内に捕集されたことが解った。これら試験結果を表２に示す。

この実験で分かるように、ＳＦ_６ガスの捕集能力は連結したカラム数に比例しており、大気圧換算で約３．４４m^３（６×６０×９．５＝３４２０リットル）の混合ガス中にあった約１７０リットルのＳＦ_６ガス（３４２０×０．０５＝１７１リットル）がカラム内に捕集されたことになる。表現を変えれば、吸着し難い余分の窒素と酸素ガスだけを分離して大気に放出したことになる。

この実験では、カラムの排出口にハロゲンリークディテクターからなるガス検知器を動作させてＳＦ_６ガスの排出の有無を検知できるかどうかも検証した。二次吸着筒２１のＳＦ_６ガスの検出有無の調査結果を表３に示す。

上記の表２、表３を比べると、ガス検知器によるＳＦ_６ガスの検知の有無と、ガスクロマト（ＧＣ）分析による試験結果は、良く一致していることが解る。つまり、ＳＦ_６ガス捕集用の二次吸着筒２１において、ＳＦ_６ガスの吸着が飽和状態に近づくと、吸着性能が低下して、排出している窒素と酸素ガスに含まれるＳＦ_６ガス濃度が増加してくる。

このことから、ガス検知器３０を二次吸着筒２１の排出口に取付け、定期的に検知すれば、二次吸着筒２１の吸着限界を知るセンサーとして有効に使用できることは明らかである。なお、ハロゲンガスリークディテクターは、非常にコンパクトであるため、例えば現地作業のような場合に関しても簡便に使用できる利点があり、実用性が高い。

上述したように、ＳＦ_６ガス捕集用の二次吸着筒２１が、ＳＦ_６ガスの吸着の飽和状態に近づくと、吸着性能が低下する。したがって、所定量のＳＦ_６ガスを二次吸着筒２１に吸着させた後には、何らかの方法で二次吸着筒２１からＳＦ_６ガスを回収して、二次吸着筒２１を再生する必要がある。

基本的には、二次吸着筒２１に対して減圧回収を実施すれば、吸着しているＳＦ_６ガスを回収すると同時に、二次吸着筒２１を再生して再利用することができる。ただし、空気除去装置１５内の吸着材１６における再生とは異なり、ＳＦ_６ガスを吸着した二次吸着筒２１の再生には両者間の吸着力が強いため非常に長い時間がかかることが知られている。

ここで、二次吸着筒２１の再生時間に関する基礎データを得るために、容器内に混合ガスとゼオライトを入れて、温度とＳＦ_６ガス濃度変化の関係を見る実験を行った。実験条件を表４に示し、容器内のＳＦ_６ガス濃度とゼオライトのＳＦ_６ガス吸収量を表５に示す。

なお、ゼオライトのＳＦ_６ガス吸収量(ｍｌ(ＳＦ_６)／ｇ（ゼオライト））は、−３０℃の計算例で示すが、以下のように計算した。
ＳＦ_６総量 ＝２５８０ｍｌ×３×０．０５＝３８７ｍｌ
ガス相に残っているＳＦ_６量＝２５８０ｍｌ×３×０．０００９＝７．０ｍｌ
ゼオライトに吸着したＳＦ_６量 ＝３８７−７．０＝３８０

したがって、単位ゼオライトに吸着したＳＦ_６ガスは、ＳＦ_６ガス／ゼオライト＝ ３８０ｍｌ／１５０ｇ＝２．５３ｍｌとなる。表５から明らかなように、ゼオライトへのＳＦ_６ガス吸着量は、温度に大きく依存している。

そこで、図８に示すように、絶縁ガス用吸着材２１ａを収納した二次吸着筒２１を加熱・減圧する絶縁ガス用吸着材再生手段として、リボンヒータ２６を二次吸着筒２１に巻くようにした。なお、符号２７は真空ポンプ、符号２８はＳＦ_６ガス回収時に開となるバルブである。このような実施形態では、ゼオライトにおける吸着力の温度依存性を利用し、合成ゼオライトの吸着力の再活性化時に、リボンヒータ２６の加熱により吸着力を弱めるように約１００℃まで二次吸着筒２１内の温度を上げ、その状態で真空ポンプ２７によって減圧する。以上の加熱・減圧処理を所定時間ごとに実施することにより、二次吸着筒２１からＳＦ_６ガスを確実に回収して、二次吸着筒２１を短時間で再生できる。

また、再生時に数回少量の窒素ガス類を入れてリンスする格好で再生すれば、更に容易である。なお、ＳＦ_６ガス捕集時には逆に二次吸着筒２１内の温度を低くすれば、二次吸着筒２１によるＳＦ_６ガス吸着性能は大きくなる。二次吸着筒２１の最も簡単な冷却手段として、氷やドライアイス等を使用することが考えられる。

従来技術である特許文献５では、ＳＦ_６ガスの系外漏洩を防ぐ部材として、ＳＦ_６ガスを吸着する排気フィルタを備える点も記載されているが、この排気フィルタは少量の試料ガスを通すだけのものであり、ビニール袋等で代用できる程度のものを想定している。つまり、ＳＦ_６ガスの漏れ防止対象は試料ガスだけで、少量のＳＦ_６ガスを捕集するに過ぎない。これに対し、本発明のガス回収装置におけるＳＦ_６ガス捕集用の吸着筒２１は、前述したように、再生工程による長期利用を視野に入れており、多量のＳＦ_６ガスに対応して長期のリサイクル操作に耐え得るガス回収装置を実現している。

以上述べたＳＦ_６ガスと空気、窒素ガスを分離する方法は、空気除去装置１５内でゼオライト系吸着材１６の孔径による分子篩効果で空気、窒素を吸着し、吸着材１６に吸着されないＳＦ_６ガスはそのまま流れていき回収装置に戻し回収するようにしたが、本発明はこの分離方法に限定されるものではない。例えば、前方式とは逆に吸着材によりＳＦ_６ガスを吸着し、吸着材の再生時に吸着材から離脱したＳＦ_６ガスを回収装置内に回収し、吸着されない空気をそのまま回収装置系外の大気中に放出するようにしてもよい。

この吸着材によりＳＦ_６ガスを吸着する方式の場合、全体構成図としては、前述した図１において、空気除去装置１５を省略し、二次吸着筒２１だけで直接混入空気との分離を行うと共に、ＳＦ_６ガスの回収を行ってもよい。この場合、二次吸着筒２１の再生時に、ＳＦ_６ガスを回収することになるが、空気除去素装置１５を設けた場合に比べて、より頻繁に二次吸着筒２１を再生させる必要がある。なお、吸着材によりＳＦ_６ガスを吸着する方式の場合、吸着材として１０Åタイプのゼオライト系吸着材やカーボン系吸着材を使用できる。これらの吸着材は、空気（窒素や酸素分子）よりＳＦ_６分子の方との吸着力が大きく、分離の駆動力となる。

本発明に係る代表的な実施形態の全体構成図。 本実施形態における空気除去装置の構成図。 吸着材によるガス分離原理の説明図。 吸着材の分子篩効果を説明するためのグラフ。 本実施形態における二次吸着筒の内部構成図。 本発明に係る他の実施形態における二次吸着筒の構成図。 他の実施形態の作用効果を示す実験の説明図。 本発明に係る他の実施形態における二次吸着筒の構成図。 従来のガス回収装置の構成図。

符号の説明

１…絶縁機器
２…接続ホース
３ａ、３ｂ…バッファタンク
４…フィルタ
５…コンプレッサ
６…熱交換器
７…貯液タンク
８…気化装置
９…ドライヤ
１０…フィルタ
１３ａ、１３ｂ、２７…真空ポンプ
１５…空気除去装置
１５ａ、１５ｂ…空気分離槽
１６、２１ａ…吸着材
２０…ガス取出しライン
２１…二次吸着筒
２２…ガス導入ライン
２３…ガスタンク
２４…酸素濃度計
２５…ボンベ
２６…リボンヒータ
２８…バルブ
２９…逆止弁
３０…ガス検知器
３１…（積算）流量計

Claims (10)

1. 絶縁ガスを封入したガス絶縁機器から前記絶縁ガスを吸引し送出する真空ポンプと、前記真空ポンプにより送出された前記絶縁ガスを圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサにて圧縮された前記絶縁ガスを冷却して凝縮液化させる液化手段と、前記液化手段にて液化された絶縁液を貯蔵する貯液タンクと、前記貯液タンクに貯蔵された前記絶縁液を気化させる気化手段と、前記気化手段にて気化された前記絶縁ガスを前記ガス絶縁機器に封入する絶縁ガス封入手段と、を有するガス回収装置において、
   前記貯液タンクの気相部内のガスを取出すガス取出し手段と、
   前記ガス取出し手段にて取り出したガス中に含まれる空気を除去する空気除去手段と、
   前記空気除去手段にて除去した空気を大気中に放出する空気放出手段と、
   前記空気除去手段によって空気を除去した後のガスを前記回収装置内に導くガス導入手段を設けたことを特徴とするガス回収装置。
2. 前記空気除去手段として、前記絶縁ガスから空気を選択的に分離する吸着材を用いたことを特徴とする請求項１に記載のガス回収装置。
3. 前記空気除去手段は、複数個の空気分離槽を有し、前記空気分離槽の加圧と減圧を交互に繰り返すことで前記貯液タンク気相部内のガスから空気を連続的に分離する圧力スイング吸着手段であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス回収装置。
4. 前記ガス導入手段に、該ガス導入手段を通過中のガスの酸素濃度を測定する酸素濃度計を取り付け、
   前記圧力スイング吸着手段は、前記酸素濃度計の測定した酸素濃度に基づいて前記空気分離槽の加圧と減圧に関する圧力制御をリアルタイムで実施するように構成したことを特徴とする請求項３に記載のガス回収装置。
5. 前記ガス導入手段に一時的にガスを溜めるガスタンクを設置し、
   前記ガスタンク内の圧力が所定値を超えた場合に、該ガスタンク内のガスを前記ガス導入手段に戻すようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス回収装置。
6. 前記空気放出手段の空気放出口に、前記空気放出手段の放出する空気中に含まれる前記絶縁ガスを選択的に吸着する絶縁ガス用吸着材を取り付けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス回収装置。
7. 前記絶縁ガス用吸着材として、孔径１０Åタイプのゼオライト系吸着材を用いたことを特徴とする請求項６に記載のガス回収装置。
8. 前記空気放出手段の空気放出口と前記絶縁ガス用吸着材との間に、前記絶縁ガス用吸着材を通過した後のガス中の前記絶縁ガスを検知する絶縁ガス検知器を取り付けたことを特徴とする請求項６又は７に記載のガス回収装置。
9. 前記絶縁ガス用吸着材の加熱・減圧する絶縁ガス用吸着材再生手段を設けたことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のガス回収装置。
10. 絶縁ガスを封入したガス絶縁機器から前記絶縁ガスを吸引し送出する絶縁ガス送出ステップと、前記絶縁ガス送出ステップにて送出した前記絶縁ガスを圧縮する圧縮ステップと、前記圧縮ステップにて圧縮した前記絶縁ガスを冷却して凝縮液化する液化ステップと、前記液化ステップにて液化させた絶縁液を貯液タンクに貯蔵する貯液ステップと、前記貯液タンクに貯蔵した前記絶縁液を気化させる気化ステップと、前記気化ステップにて気化させた前記絶縁ガスを前記ガス絶縁機器に封入する絶縁ガス封入ステップと、を含むガス回収系によるガス回収方法において、
    前記貯液タンクの気相部内のガスを取出すガス取出しステップと、
    前記ガス取出しステップにて取り出したガス中に含まれる空気を除去する空気除去ステップと、
    前記空気除去ステップにて除去した空気を大気中に放出する空気放出ステップと、
    前記空気除去ステップにて空気を除去した後のガスを前記ガス回収系内に導くガス導入ステップを含むことを特徴とするガス回収方法。

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