JP2017109914A

JP2017109914A - 膜式窒素製造設備およびその製造方法

Info

Publication number: JP2017109914A
Application number: JP2015257832A
Authority: JP
Inventors: 晴生渡邊; Haruo Watanabe
Original assignee: Japan Gas Separation Kk
Current assignee: Japan Gas Separation Kk
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-22

Abstract

【課題】膜式窒素製造における圧縮機の動力の軽減と窒素の回収率を高め電力原単価の低減を図る。
【解決手段】燃焼排ガス１をガス圧縮機４で加圧し、吸着・触媒槽５を通して供給され燃焼排ガスを大気中に放出する１次膜透過ガスと１次膜非透過ガスに分離する１次膜７と、１次膜非透過ガス８を燃焼排ガス１に還流リサイクルして循環させる２次膜透過ガス１５と２次膜非透過ガス１１に分離する２次膜９とを有し、２次膜非透過ガス１１を酸素濃度計１２、流量調節弁１３に流過させて製品ガス１４を製造する膜式窒素製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜法により燃焼排ガスを用いて低中濃度の工業用の窒素ガスの製造設備およびその製造方法に関する。

従来、窒素の製造は空気を原料としており、深冷、吸着、膜法で空気中の窒素を分離して製造することが良く知られている。特に吸着、膜法は深冷法に比べて装置が比較的簡単で需要者が設置、運転するのに適し一般化している。
従来の膜法は、小型軽量であるため窒素純度が高い場合、例えば、空気の酸素濃度が２１から０．１体積％に下げるために広い膜面積を必要として窒素回収率が低かった。

かかる欠点を補うために最終段の透過ガスを１段前の供給に戻すことで窒素の回収率の向上が図られていた（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−１８４２８３号公報

従来一般的に行われている空気を原料ガスとする窒素製造においては、酸素と窒素は２１，７９体積率％であり窒素製造に必要な空気量は１／０．７９＝１．２７倍となり圧縮空気の体積が増えて多くの動力を必要としていた。

また、従来の技術においては、最終段の膜に供給される窒素ガスの酸素濃度が高いために比較的広い膜面積が必要となり、膜を介して窒素が大気へ放出され製品としての窒素ガスの回収率が低かった。

本発明はガス圧縮機の動力の抑止及び窒素ガスの回収率の向上電力原単価の低減を図るものである。

本発明に係る膜式窒素製造設備は、ボイラ、熱処理炉等から分岐した燃焼排ガスを冷却後加圧するガス圧縮機と、このガス圧縮機から供給される燃焼排ガスに含まれる不要成分を吸着し、かつ、燃焼に伴う一酸化窒素及び燃焼不良等を発生する一酸化炭素を燃焼排ガス中の酸素と酸化させて、それぞれ二酸化窒素、二酸化炭素に変換させる酸化触媒を充填した吸着・触媒槽と、この吸着・触媒槽から供給される燃焼排ガスを燃焼させる加熱器と、この加熱器から供給される燃焼排ガスを、大気中に放出する１次膜透過ガスと１次膜非透過ガスに分離する１次膜と、１次膜透過ガスをガス圧縮機から供給される燃焼排ガスに還流して循環リサイクルさせる２次膜透過ガスと２次膜非透過ガスに分離する２次膜とを有して２次膜非透過ガスにより製品ガスを得ることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係る膜式窒素製造方法は、ボイラ、熱処理炉等の煙道から分岐した燃焼排ガスを冷却後ガス圧縮機で加圧する工程と、圧縮された燃焼排ガスを吸着・触媒槽に供給して、燃焼排ガスに含まれる不要成分を吸着し、かつ、燃焼に伴う一酸化窒素及び燃焼不良等により発生する一酸化炭素を燃焼排ガス中の酸素と酸化させて、それぞれ二酸化窒素、二酸化炭素に変換させる工程と、この吸着・触媒槽を経て供給される燃焼排ガスを１次膜に供給して、大気中に放出される１次膜透過ガスと２次膜に供給される１次膜非透過ガスに分離する工程と、１次膜から供給される１次膜非透過ガスを２次膜に供給して、２次膜透過ガスと２次膜非透過ガスに分離して、２次膜透過ガスを還流リサイクルしてガス圧縮機から供給される燃焼排ガスに合流循環させ、２次膜非透過ガスを製品ガスとして得る工程を有することを特徴とする。

本発明は、ボイラ、熱処理炉等から分岐、採取した燃焼排ガスを原料ガスとし、膜を透過した膜透過ガスを還流リサイクルすることにより膜に於ける窒素の回収率を上げて、かつ圧縮機の所要動力を抑止して電力原単価の改善が図ることができ、また圧縮機の小型化、膜面積を縮小し設備面で費用を低下することができる。

さらに、吸着・触媒槽を設けて膜に対して分離効率の高い燃焼排ガスを膜に供給することにより透過ガスと非透過ガスの分離を容易にして高品質で回収効率の高い窒素ガスを得ることができる。

本発明に係る膜式窒素製造の系統図他の実施態様を示す系統図

本発明に係る膜式窒素製造設備は、図１に示すように、ボイラ、熱処理炉等の煙道から分岐・採取した燃焼排ガス１を原料ガスとして冷却器２で冷却された後ドレン分離器３でミストが分離された後ガス圧縮機４に供給される。

原料ガスの燃焼排ガス１は冷却器２で冷却された後ドレン分離器３でミストが分離され後ガス圧縮機４に供給される。

ガス圧縮機４で０．５〜２．０ＭＰａＧに加圧された燃焼排ガス１は、活性炭と酸化触媒が層状に充填された吸着・触媒槽５に供給される。

この吸着・触媒槽５において、ガス圧縮機４から燃焼排ガス１に含まれて導搬される潤滑油の匂や蒸気、ミストやガス含まれる微量成分が活性炭に吸着され、さらに異常燃焼時に排出される一酸化炭素、燃焼による一酸化窒素は燃焼排ガス１中の酸素と触媒の酸化作用で膜に対して分離性の良い二酸化炭素、二酸化窒素に変えられる。

この吸着・触媒槽５を通した燃焼排ガス１は、加熱器６を通って１次膜７に供給されて１次膜透過ガス１０と１次膜非透過ガス８に分離される。

この１次膜７において透過された酸素，二酸化炭素、水分、二酸化窒素を含む１次膜透過ガス１０は大気中に放出され、残留した１次非膜透過ガス８は２次膜９に供給される。

２次膜９に供給された１次膜非透過ガス８は、この２次膜９において２次膜透過ガス１５と２次膜非透過ガス１１に分離される。

２次膜透過ガス１５は、配管を通り還流リサイクルして合流点１６で燃焼排ガス１と混合、再利用される。

２次膜非透過ガス１１は、酸素濃度計１２で酸素濃度が計測され流量調節弁１３により流量調節されて所要の酸素濃度の０．１から３．０体積％以上（窒素濃度９７〜９９．９％体積％以下）とする製品ガス１４として供給される。

都市ガスやＬＰＧガスの気体燃料を燃料と燃焼空気の比、空気比１．１５で燃焼すると、その燃焼排ガスの酸素、窒素，二酸化炭素の成分は、それぞれ３、８７、１０体積％前後となる。原料ガスには煤塵、未燃焼分が少ないこれ等の燃焼排ガスを用いることが望ましい。

燃焼排ガスを原料ガスとする場合は、窒素濃度は上記の８７体積％で大気濃度の７９体積％に８％比べて高い。ガス圧縮機の所要動力は吸込みガスの体積に比例するが知られており、必要な原料ガス体積が空気を使用する場合に比べて約１２％減り圧縮に要する動力が減少する。

また、事例によれば、燃焼排ガス１は空気の酸素濃度２１体積％に比べて約３体積％と低くこれをリサイクルすることにより、例えば０．１体積％の窒素を製造する場合、図１の１次膜非透過ガス８の酸素濃度が０．４体積％以下となり、空気を原料ガスとする場合の酸素濃度の１．６体積％に比べて１／４以下になり膜面積を約２０％以上低下させ窒素の回収率は２８から４４％以上に大きく上昇する。また、燃焼排ガス１に含まれる二酸化炭素の透過速度は酸素、窒素の透過速度に比べて極めて高く、この二酸化炭素の成分が増えても膜面積の増加は微増で窒素の回収率の低下には至らない。

本発明に用いられる１次膜７及び２次膜９は、中空糸膜の両端を樹脂で接着して容器と接続し、中空糸膜の内側、または外側に原料ガスを供給する管状構造の膜モジュールが望ましい。

中空糸の膜材質はポリイミド、ポリスルホン等高分子樹脂に限定せず、多孔質の無機材料を含むものである。

リサイクルガスとして還流する２次膜透過ガス１５の流量を増やすと製品ガス１４の酸素濃度は下がり窒素濃度は上昇するが、ガス圧縮機４の容量が大きくなり電力消費が上昇するため、１次膜７と２次膜９の組み合わせは、予め、各膜の“（膜面積）×（透過させるガスの透過速度）”の積、運転温度、ガス圧縮機の吐出圧力、これら要素と要求される製品ガス１４の酸素濃度を反映して計画することが望ましい。

ガス圧縮機４の下流の加熱器６の温度による運転温度は２０〜６０℃と一定としてこの装置を安定させる上から望ましく、必要に応じてガス圧縮機４の下流、およびドレン分離器３後に除湿装置やフィルターを設けるものでもよい。

燃焼排ガス１の温度が高い場合は、ガス圧縮機４の圧縮に適した温度まで冷却器２で冷却し。必要に応じてドレン、粉塵を排出することが望ましい。

図１に示す実施態様においては、主として酸素濃度を０．１から３．０体積％以下（窒素濃度９７〜９９．９％体積％以上）と比較的中濃度の窒素を製するために２次膜を用いた多段膜設備とその製法について説明したが、酸素濃度が１．０体積％以上（窒素濃度９９％体積％以下）の比較的低純度の窒素を製造する場合には、図１に示す１次膜７だけで窒素を製造する図２に示すように２次膜以降を除外した１次膜だけの設備を用いて設備費の適正化を図るものであってもよい。

１燃焼排ガス
２冷却器
３ドレン分離器
４ガス圧縮機
５吸着・触媒槽
６加熱器
７１次膜
８１次膜非透過ガス
９２次膜
１０１次膜透過ガス
１１２次膜非透過ガス
１２酸素濃度計
１３流量調節弁
１４窒素ガス
１５２次膜透過ガス

Claims

ボイラ、熱処理炉等から分岐した燃焼排ガスを冷却後加圧するガス圧縮機と、このガス圧縮機から供給される燃焼排ガスに含まれる不要成分を吸着し、かつ、燃焼に伴う一酸化窒素及び燃焼不良等を発生する一酸化炭素を燃焼排ガス中の酸素と酸化させて、それぞれ二酸化窒素、二酸化炭素に変換させる酸化触媒を充填した吸着・触媒槽と、この吸着・触媒槽から供給される燃焼排ガスを燃焼させる加熱器と、この加熱器から供給される燃焼排ガスを、大気中に放出する１次膜透過ガスと１次膜非透過ガスに分離する１次膜と、１次膜透過ガスをガス圧縮機から供給される燃焼排ガスに還流して循環リサイクルさせる２次膜透過ガスと２次膜非透過ガスに分離する２次膜とを有して２次膜非透過ガスにより窒素ガスを得ることを特徴とする膜式窒素製造設備。
ボイラ、熱処理炉等の煙道から分岐した燃焼排ガスを冷却後ガス圧縮機で加圧する工程と、圧縮された燃焼排ガスを吸着・触媒槽に供給して、燃焼排ガスに含まれる不要成分を吸着し、かつ、燃焼に伴う一酸化窒素及び燃焼不良等により発生する一酸化炭素を燃焼排ガス中の酸素と酸化させて、それぞれ二酸化窒素、二酸化炭素に変換させる工程と、この吸着・触媒槽を経て供給される燃焼排ガスを１次膜に供給して、大気中に放出される１次膜透過ガスと２次膜に供給される１次膜非透過ガスに分離する工程と、１次膜から供給される１次膜非透過ガスを２次膜に供給して、２次膜透過ガスと２次膜非透過ガスに分離して、２次膜透過ガスを還流リサイクルしてガス圧縮機から供給される燃焼排ガスに合流循環させ、２次膜非透過ガスを窒素ガスとして得る工程を有する膜式窒素製造方法。