JP2018114464A - ガス分離回収方法及び設備 - Google Patents

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Abstract

【課題】洗浄工程を行うことなく回収ガスの濃度を高めることができ、これにより少ない電力消費量で高濃度の目的ガス成分を分離回収することができるガス分離回収方法を提供する。【解決手段】圧力スイング吸着法により原料ガスから特定のガス成分を分離回収する際に、ガス吸着剤がガス種によって吸着力と圧力に対応した吸着・脱着特性が異なり、脱着工程においてガス種によって脱着タイミング差があることを利用し、脱着工程を例えば２つの時間帯に区分けし、脱着ガスを各時間帯毎に分けて回収する。これにより、例えば、吸着剤に脱着タイミング差があるガス１とガス２が吸着されている場合に、ガス１の濃度が高い回収ガスとガス２の濃度が高い回収ガスを、それぞれ分けて回収することができ、高濃度の目的ガス成分を選択的に分離回収できる。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）によるガス分離回収方法とその実施に好適な設備に関する。
従来、原料ガスに含まれる所定のガス成分を分離する方法として、圧力スイング吸着法（Pressure Swing Adsorption法、ＰＳＡ法）が用いられてきた（例えば特許文献１参照）。ＰＳＡ法は、吸着剤に対するガス成分の吸着量がガス種及びその分圧によって異なることを利用した分離方法であり、通常、吸着剤にガス成分を吸着させる工程（吸着工程）、吸着剤へのガス成分の吸着率を高めるために、他の吸着塔で脱着された脱着ガスの一部を洗浄ガスとして供給する工程（洗浄工程）、及び吸着したガス成分を吸着剤から脱着させてガスを回収する工程（脱着工程）を有する。このＰＳＡ法は、種々の分野に適用されているが、原料ガスに含まれる一成分を吸着させることにより、高濃度のガスを製造する方法として利用されることが多い。ＰＳＡ法は、加圧−常圧の圧力差を用いる加圧方式と、常圧（または微加圧）−減圧の圧力差を用いる吸引方式があり、後者についてはＶＳＡ法（Vacuum Swing Adsorption）と呼ばれることもある。
特開平０６−１４４８１８号公報
N. Heymans et al.，「Experimental and theoretical study of the adsorption of pure molecules and binary systems containing methane, carbon monoxide, carbon dioxide and nitrogen. Application to the syngas generation」， Chemical Engineering Science 66（2011）pp. 3850-3858 A. Arefi Pour et al.，「Adsorption separation of CO2/CH4 on the synthesized NaA zeolite shaped with montmorillonite clay in natural gas purification process」，Journal of Natural Gas Science and Engineering 36（2016）pp. 630-643
ＰＳＡ法はガス分離に要する電力が大きいため、ガス分離コストの削減にはＰＳＡ法における電力消費量の削減が必要である。一般に、加圧方式のＰＳＡ法では吸着工程において吸着圧を高めるためのガスコンプレッサー電力消費量が、吸引方式のＰＳＡ法では脱着工程における真空ポンプ電力消費量が、それぞれガス分離に要する電力消費量のうちの主要な割合を占めている。これらの電力消費量は、吸着及び脱着を行うガス量が多くなるほど大きくなる。
一般に、ＰＳＡ運転サイクルが吸着工程と脱着工程の２工程のみであれば電力消費量は抑制できるが、回収ガスの濃度は低くなる。一方、脱着ガスを一部洗浄ガスとして別の吸着塔へ循環供給する洗浄工程を行う運転方法では、回収ガスの濃度は高くすることができるが、一方で脱着ガスを再度吸着剤へ吸着させて脱着工程に送るため、脱着を行うガス量が増加し、電力消費量も増加してしまう。
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、洗浄工程を行うことなく回収ガスの濃度を高めることができ、これにより少ない電力消費量で原料ガスから高濃度の目的ガス成分を分離回収することができるガス分離回収方法及び設備を提供することにある。
本発明者らは、一般にガス吸着剤はガス種によって吸着力と圧力に対応した吸着・脱着特性が異なり、脱着工程においてガス種によって脱着タイミング差があることに着目し、この脱着タイミング差を利用し、脱着ガスを２つ以上の時間帯に分けて回収することにより、高濃度の目的ガス成分を選択的に分離回収できるようにした新たなガス分離回収方法を創案した。
すなわち、上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］圧力スイング吸着法により原料ガスから特定のガス成分を分離回収する方法において、吸着塔に充填された吸着剤にガス成分を吸着させる吸着工程と、該吸着工程で吸着剤に吸着させたガス成分を脱着させてガスを回収する脱着工程を有するとともに、他の吸着塔の脱着ガスの一部を洗浄ガスとして供給する洗浄工程を有しないガス分離回収方法であり、脱着工程を複数の時間帯に区分けし、脱着ガスを前記各時間帯毎に分けて回収することを特徴とするガス分離回収方法。
［2］上記［1］のガス分離回収方法において、吸着工程の際に一端側から原料ガスが導入され、他端側から原料オフガスが排出される吸着塔において、脱着工程では吸着塔の前記他端側から脱着ガスを排出することを特徴とするガス分離回収方法。
［3］上記［1］又は［2］のガス分離回収方法において、吸着塔がガスが上下方向に流れる縦型吸着塔であり、運転時に最もガス流速が大きくなる工程でのガス流れ方向を下向きとすることを特徴とするガス分離回収方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかのガス分離回収方法において、吸着塔に塔内圧力を低下させるための放圧弁を設け、脱着工程において真空ポンプで吸着塔内を減圧する前に、前記放圧弁を開放して吸着塔内の圧力を低下させることを特徴とするガス分離回収方法。
［5］上記［1］〜［4］のいずれかのガス分離回収方法において、脱着工程において、工程開始時からの１つ以上の時間帯では、真空ポンプで吸着塔内を減圧することによりガスを脱着し、その後の時間帯では、真空ポンプを用いることなく吸着塔内にパージガスを導入することによりガスを脱着することを特徴とするガス分離回収方法。
［6］上記［1］〜［5］のいずれかのガス分離回収方法において、脱着工程において、特定の時間帯に脱着されるガスが、他の時間帯に脱着されるガスよりも熱量が高くなるように、脱着工程を複数の時間帯に区分けし、前記特定の時間帯において脱着されるガスを高カロリーガスとして回収することを特徴とするガス分離回収方法。
［7］上記［6］のガス分離回収方法において、原料ガスがＣＯとＣＯ２を含む混合ガスであり、脱着工程において、特定の時間帯に脱着されるガスが、他の時間帯に脱着されるガスよりもＣＯ濃度が高くなるように、脱着工程を複数の時間帯に区分けすることを特徴とするガス分離回収方法。
［8］圧力スイング吸着法により原料ガスから特定のガス成分を分離回収する設備において、吸着塔に充填された吸着剤にガス成分を吸着させる吸着工程と、該吸着工程で吸着剤に吸着させたガス成分を脱着させてガスを回収する脱着工程を有するとともに、他の吸着塔の脱着ガスの一部を洗浄ガスとして供給する洗浄工程を有しないガス分離回収を行う設備であり、脱着ガスの排気ラインが複数に分岐するとともに、各分岐ラインに開閉弁が設けられ、脱着工程で脱着されるガスを時間帯毎に異なる分岐ラインを通じて回収できるようにしたことを特徴とするガス分離回収設備。
［9］上記［8］のガス分離回収設備において、吸着工程の際に一端側から原料ガスが導入され、他端側から原料オフガスが排出される吸着塔において、脱着工程では吸着塔の前記他端側から脱着ガスが排出されるように、脱着ガスの排気ラインが設けられたことを特徴とするガス分離回収設備。
［10］上記［8］又は［9］のガス分離回収設備において、吸着塔がガスが上下方向に流れる縦型吸着塔であり、運転時に最もガス流速が大きくなる工程でのガス流れ方向が下向きとなるように、吸着塔に対するガスの給排気ラインが設けられたことを特徴とするガス分離回収設備。
［11］上記［8］〜［10］のいずれかのガス分離回収設備において、脱着ガスの排気ラインに吸着塔内を減圧するための真空ポンプが設けられた設備であって、吸着塔内の圧力を低下させるための放圧弁を有することを特徴とするガス分離回収設備。
［12］上記［8］〜［11］のいずれかのガス分離回収設備において、脱着ガスの排気ラインに吸着塔内を減圧するための真空ポンプが設けられた設備であって、ガス脱着用のパージガスを吸着塔内に導入するためのパージガス導入ラインを有することを特徴とするガス分離回収設備。
本発明によれば、洗浄工程を行うことなく回収ガスの濃度を高めることができ、このため少ない電力消費量で高濃度の目的ガス成分を分離回収することができる。
本発明のガス分離回収方法及び設備の一実施形態を示す説明図 吸着剤への吸着力に違いがある２種類のガスについて、圧力に対応した吸着・脱着特性を示すグラフ 本発明のガス分離回収方法及び設備の他の実施形態を示す説明図 本発明のガス分離回収方法及び設備の他の実施形態における工程の一部を示す説明図 図４−１と同じ実施形態における工程の他の一部を示す説明図 本発明のガス分離回収方法及び設備の他の実施形態を示す説明図 実施例で使用したＰＳＡ実験装置を示す説明図
本発明のガス分離回収方法は、圧力スイング吸着法により原料ガスから特定のガス成分を分離回収する方法であり、吸着塔に充填された吸着剤にガス成分を吸着させる吸着工程と、この吸着工程で吸着剤に吸着させたガス成分を脱着させてガスを回収する脱着工程を有するとともに、他の吸着塔の脱着ガスの一部を洗浄ガスとして供給する洗浄工程を有しない。さきに述べたように、洗浄工程を行うと回収ガスの濃度は高くすることができるが、脱着を行うガス量が増加し、電力消費量が増加してしまう。そこで、本発明では、洗浄工程を行うことなく回収ガスの濃度を高めるために、脱着工程を複数の時間帯に区分けし、脱着ガスを前記各時間帯毎に分けて回収する。また、これを実施するための設備では、脱着ガスの排気ラインが複数に分岐するとともに、各分岐ラインに開閉弁が設けられ、脱着工程で脱着されるガスを時間帯毎に異なる分岐ラインを通じて回収できるようにする。
図２は、吸着剤への吸着力に違いがある２種類のガスについて、圧力に対応した吸着・脱着特性を示すグラフである。例えば、ＣＯ２吸着剤として用いられる１３Ｘゼオライトは、Ｎ２やＣＯのような吸着力が小さいガス種については、図２のガス１のように圧力に対して線形な吸着特性を有する。一方、ＣＯ２のような吸着力が大きいガス種については、図２のガス２ように吸着量が大きく、且つ圧力に対して非線形な吸着特性を有する。このようにガス種によって圧力に対応した吸着・脱着特性が異なる吸着剤を用いる場合、脱着工程においてガス脱着タイミングに差異が生じる。すなわち、図２に示すように、圧力に対して線形な吸着特性を有するガス１は、高圧状態から減圧する過程でガスが脱着されるのに対し、圧力に対して非線形な吸着特性を有するガス２は、高圧状態ではほとんどガスが脱着せず、低圧状態まで減圧された時点で急激にガスが脱着される。
したがって、このようなガス脱着タイミング差に応じて、例えば、脱着工程を２つの時間帯に区分けし、脱着ガスをその各時間帯毎に分けて回収することにより、ガス１の濃度が高い回収ガスとガス２の濃度が高い回収ガスを、それぞれ分けて回収することが可能となる。本発明は、このようにして洗浄工程を行うことなく回収ガスの濃度を高めることを可能とし、高濃度の目的ガス成分を選択的に分離回収できるようにしたものである。
図１は、本発明のガス分離回収方法及び設備の一実施形態を示す説明図であり、この実施形態では、脱着工程を第１時間帯と第２時間帯に区分けし、脱着ガスを前記各時間帯毎に分けて回収するようにしたものであり、図１の（ａ）は「吸着工程」、（ｂ）は「脱着工程：第１時間帯」、（ｃ）は「脱着工程：第２時間帯」をそれぞれ示している。
ここで、図２に示されるガス１、ガス２と同様、以下の説明において、ガス１とは、圧力に対して線形な吸着特性を有し、高圧状態から減圧する過程で脱着されるガスを指し、また、ガス２とは、圧力に対して非線形な吸着特性を有し、高圧状態ではほとんど脱着せず、低圧状態まで減圧された時点で急激に脱着されるガスを指す。なお、図３〜図５に示す他の実施形態においても同様である。
図１において、吸着塔１はガスが上下方向に流れる縦型吸着塔であり、図２に示すようなガス種によって吸着等温線の線形性が異なる吸着剤が充填されている。この吸着塔１の一端側（下端側）には、原料ガス導入用及び脱着ガス排気用の給排気管２が接続され、この給排気管２には、原料ガスの導入ライン４を構成する供給管と、脱着ガスの排気ライン５を構成する排気管がそれぞれ接続されている。また、吸着塔１の他端側（上端側）には原料オフガスの排気ライン３を構成する排気管が接続されている。
前記排気ライン５には真空ポンプ６が設けられるとともに、その下流側（ポンプ吐出側）が分岐ライン５０a，５０bに分岐し、各分岐ライン５０a，５０bには開閉弁７a，７b（遮断弁）が設けられている。その他図面において、８は導入ライン４に設けられる開閉弁（遮断弁）、９は排気ライン３に設けられる開閉弁（遮断弁）である。
ここで、白抜きの開閉弁は開状態にあることを、黒く塗りつぶした開閉弁は閉状態にあることを、それぞれ示している。なお、図３〜図５に示す他の実施形態においても同様である。
図１（ａ）の吸着工程では、吸着塔１に導入ライン４を通じて原料ガスが導入され、原料オフガスが排気ライン３から排出される。次いで、洗浄工程を行うことなく、真空ポンプ６で吸着塔１内を減圧することにより脱着工程を行うが、その第１時間帯では、図１（ｂ）に示すようにガス１の回収を目的として分岐ライン５０aを通じて脱着ガス（回収ガスＡ）を回収し、続く脱着工程の第２時間帯では、図１（ｃ）に示すようにガス２の回収を目的として分岐ライン５０bを通じて脱着ガス（回収ガスＢ）を回収する。このような脱着ガスの回収を行うため、開閉弁７ａ，７ｂが適宜開閉される（図３〜図５の実施形態も同様）。
上述したように、ガス１は、圧力に対して線形な吸着特性を有し、高圧状態から減圧する過程で脱着されるガスであり、ガス２は、圧力に対して非線形な吸着特性を有し、高圧状態では殆ど脱着せず、低圧状態まで減圧された時点で急激に脱着されるガスであるため、第１時間帯ではガス１の濃度が高い回収ガスＡが得られ、第２時間帯ではガス２の濃度が高い回収ガスＢが得られる。このため濃度が高い目的ガス成分（例えば、回収ガスＡ）を選択的に回収できる。
ここで、第１時間帯と第２時間帯の時間区分は、図２に示すような吸着剤の吸着・脱着特性と、目的ガス成分の目標濃度や熱量、目標収率などに応じて決めればよい。
一般にガス吸着剤は、図２のようにガス種によって吸着力と圧力に対応した吸着・脱着特性（吸着等温線の線形性）が異なり、本発明ではそのような吸着剤を使用すればよい。したがって、吸着剤の種類に特別な制限はないが、特に好適な吸着剤として、上述した１３Ｘゼオライトのほかに、ＺＳＭ−５ゼオライト、ＮａＡゼオライトなどが例示できる。１３Ｘゼオライトは、特にＣＯ２とＣＯ及びＮ２について吸着等温線の線形性が異なる。また、ＺＳＭ−５ゼオライトは、特にＣＯ２とＣＯについて吸着等温線の線形性が異なり（例えば、非特許文献１のFig.５）、ＮａＡゼオライトは、特にＣＯ２とＣＨ４について吸着等温線の線形性が異なる（例えば、非特許文献２のFig.７）。
吸着剤の種類によって、吸着等温線の線形性が異なるガス種は異なるので、分離するガス種に応じて吸着剤の種類を適宜選択すればよい。
なお、本実施形態では、脱着工程を２つの時間帯に区分けしたものであるが、吸着剤の種類や分離回収するガス種によっては、脱着工程を３つ以上の時間帯に区分け、脱着ガスを前記各時間帯毎に分けて回収するようにしてもよい。
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。
本発明では、吸着工程の際に一端側から原料ガスが導入され、他端側から原料オフガスが排出される吸着塔において、脱着工程では吸着塔の前記他端側（原料ガス導入側と反対側）から脱着ガスを排出することにより、ガス分離効率を高めることができる。図３は、そのような本発明のガス分離回収方法及び設備の一実施形態を示す説明図である。この実施形態も脱着工程を第１時間帯と第２時間帯に区分けし、脱着ガスを前記各時間帯毎に分けて回収するようにしたものであり、図１の（ａ）は「吸着工程」、（ｂ）は「脱着工程：第１時間帯」、（ｃ）は「脱着工程：第２時間帯」をそれぞれ示している。
図３において、吸着塔１はガスが上下方向に流れる縦型吸着塔であり、図２に示すようなガス種によって吸着等温線の線形性が異なる吸着剤が充填されている。この吸着塔１の一端側（上端側）には、原料ガスの導入ライン４を構成する供給管が接続されている。また、吸着塔１の他端側（下端側）には、原料オフガス排気用及び脱着ガス排気用の排気管１０が接続され、この排気管１０には、原料オフガスの導入ライン３を構成する排気管と、脱着ガスの排気ライン５を構成する排気管がそれぞれ接続されている。なお、その他の構成は、図１の実施形態と同様であるので、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
原料ガスを導入した際の吸着塔１内のガス吸着量分布は、原料ガス導入口に近い領域に吸着力の大きいガス２が吸着し、原料ガス導入口から遠い領域に吸着力の小さいガス１が吸着する。これは、原料ガスが吸着塔１内を流れる際のガス組成の連続的な変化によるものである。このようなガス吸着量分布が生じている吸着塔１において、図１の実施形態のように原料ガス導入側と同じ側から脱着ガスを排出すると、ガス脱着タイミング差によるガス分離効果は得られるが、一方で、最初に吸着力の小さいガス１が脱着する際に、吸着力の大きいガス２が吸着している領域を通過するため、ガス２の分圧が低下してガス２が部分的に脱着してしまい、その分、ガス分離効果が低下する。
これに対して、本実施形態のように原料ガス導入側と反対側から脱着ガスを排出することにより、吸着塔１内でのガス吸着量分布が図３（ａ）のようになっている状態からガス脱着を開始することにより、図３（ｂ）に示すように、第１時間帯において、吸着力の小さいガス１を吸着力の大きいガス２が吸着している領域を通過することなく脱着させることができ、このためガス２が部分的に脱着されることがなく、図１の実施形態に較べてガス分離効率が向上することになる。
本実施形態でも、図３（ａ）の吸着工程では、吸着塔１に導入ライン４を通じて原料ガスが導入され、原料オフガスが排気管１０及び排気ライン３から排出される。次いで、洗浄工程を行うことなく、真空ポンプ６で吸着塔１内を減圧することにより脱着工程を行うが、その第１時間帯において、図３（ｂ）に示すようにガス１の回収を目的として分岐ライン５０aを通じて脱着ガス（回収ガスＡ）を回収し、続く脱着工程の第２時間帯において、図３（ｃ）に示すようにガス２の回収を目的として分岐ライン５０bを通じて脱着ガス（回収ガスＢ）を回収する。
また、本発明では、図３の実施形態のように吸着塔をガスが上下方向に流れる縦型吸着塔とし、運転時に最もガス流速が大きくなる工程でのガス流れ方向を下向きとすることにより、流動化による吸着剤の劣化を抑えることができる。この場合には、そのようなガス流れを実現できるように、吸着塔に対するガスの給排気ラインが設けられる。
本発明は、吸着塔１内のガス吸着量分布を利用するため、ガスが上下方向に流れる縦型吸着塔を用いることが好ましいが、縦型吸着塔は、同じ吸着剤充填量であっても横型吸着塔などに較べて塔の断面積が小さくなるため、吸着剤充填層内を流れるガスの流速が大きくなる。このようなガス流速が大きい吸着塔では、吸着剤が流動化して吸着剤の劣化が促進される懸念がある。例えば、吸引方式のＰＳＡ法の場合には、吸着塔１を減圧した後の吸着工程開始時（原料ガス導入開始時）などにガス流速が増加する。また、加圧方式のＰＳＡ法の場合には、吸着工程後のガス放圧（後述する図４（ｂ）のような放圧工程）開始時などにガス流速が増加する。このため、図３のように吸着塔１をガスが上下方向に流れる縦型吸着塔とし、例えば吸着工程開始時（原料ガス導入開始時）に最もガス流速が大きくなるような運転の際には、その工程でのガス流れ方向を下向きとする。図３は、そのような条件を満たすガス流れ方向となっている。吸着剤充填層の下部は、吸着剤を支える金網などにより吸着剤の動きが拘束されているため、そのようなガス流れ方向であれば吸着剤の流動化が抑えられ、流動化による吸着剤の劣化を防止することができる。
また、本発明では、吸着塔に塔内圧力を低下させるための放圧弁を設け、脱着工程において真空ポンプで吸着塔内を減圧する前に、前記放圧弁を開放して吸着塔内の圧力を低下させるようにすることができ、これにより脱着工程の一部を真空ポンプを運転しないで実施できるため、ガス分離に必要な電力を削減することができる。
図４は、そのような本発明のガス分離回収方法及び設備の一実施形態を示す説明図である。この実施形態も脱着工程を第１時間帯と第２時間帯に区分けし、脱着ガスを前記各時間帯毎に分けて回収するようにしたものであり、図４の（ａ）は「吸着工程」、（ｂ）は「放圧工程」、（ｃ）は「脱着工程：第１時間帯」、（ｄ）は「脱着工程：第２時間帯」をそれぞれ示している。
図４において、吸着塔１はガスが上下方向に流れる縦型吸着塔であり、図２に示すようなガス種によって吸着等温線の線形性が異なる吸着剤が充填されている。図３の実施形態と同様、吸着塔１の一端側（上端側）には、原料ガスの導入ライン４を構成する供給管が接続されている。また、吸着塔１の他端側（下端側）には、原料オフガス排気用及び脱着ガス排気用の排気管１０が接続され、この排気管１０には、原料オフガスの導入ライン３を構成する排気管と、脱着ガスの排気ライン５を構成する排気管がそれぞれ接続され、さらに、放圧弁１２を備える放圧管１１が接続されている。なお、その他の構成は、図１、図３の実施形態と同様であるので、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図１や図３の実施形態では、脱着工程は真空ポンプにより吸着塔１内を減圧することによりなされ、その間、真空ポンプの制御により減圧速度が制御される。しかしながら、吸着工程後のガス吸着圧が高い状態であれば、真空ポンプによる減圧を行わずに放圧のみで減圧することも可能である。そこで、図４に示すように、吸着工程（図４（ａ））と脱着工程（図４（ｃ））の間に放圧工程（図４（ｂ））を設け、吸着塔１内の圧力を低下させた後、脱着工程を行うものである。
本実施形態でも、図４（ａ）の吸着工程では、吸着塔１に導入ライン４を通じて原料ガスが導入され、原料オフガスが排気管１０及び排気ライン３から排出される。吸着工程終了後、洗浄工程を行うことなく、図４（ｂ）に示すように放圧弁１２を開放して吸着塔１内の圧力を低下させる（放圧工程）。この放圧工程終了後、放圧弁１２を閉じ、真空ポンプ６で吸着塔１内を減圧することにより脱着工程を行う。すなわち、脱着工程の第１時間帯において、図４（ｃ）に示すようにガス１の回収を目的として分岐ライン５０aを通じて脱着ガス（回収ガスＡ）を回収し、続く脱着工程の第２時間帯において、図４（ｄ）に示すようにガス２の回収を目的として分岐ライン５０bを通じて脱着ガス（回収ガスＢ）を回収する。
なお、放圧工程での放圧ガスは、回収ガスＡよりもガス１の濃度は低いが、ガス１がある程度濃縮されたガスであるため、回収して特定の用途に利用してもよい。
また、本発明では、脱着工程において、工程開始時からの１つ以上の時間帯では、真空ポンプで吸着塔内を減圧することによりガスを脱着し、その後の時間帯では、真空ポンプを用いることなく吸着塔内にパージガスを導入することによりガスを脱着することができ、この場合には、ガス脱着用のパージガスを吸着塔内に導入するためのパージガス導入ラインが設けられる。
吸着剤に対する吸着力の小さいガス１と吸着力の大きいガス２をそれぞれ高濃度で回収することが目的であれば、真空ポンプのみでガス脱着を行う必要があるが、例えば、ガス２を不純物ガスとして放散して問題ない場合には、ガス２については、真空ポンプを用いることなく、パージガスを流通させることで脱着させ、パージガスとともに排出すればよい。このような方法を採ることにより、吸着力の大きいガス２を脱着させるために真空ポンプを運転する必要がなくなるため、ガス分離に必要な電力を大幅に削減することができる。
パージガスとしては、通常、窒素などが用いられるが、これに限定されない。
図５は、そのような本発明のガス分離回収方法及び設備の一実施形態を示す説明図である。この実施形態も脱着工程を第１時間帯と第２時間帯に区分けし、脱着ガスを前記各時間帯毎に分けて回収するようにしたものであり、図５の（ａ）は「吸着工程」、（ｂ）は「脱着工程：第１時間帯」、（ｃ）は「脱着工程：第２時間帯」をそれぞれ示している。
図５において、吸着塔１はガスが上下方向に流れる縦型吸着塔であり、図２に示すようなガス種によって吸着等温線の線形性が異なる吸着剤が充填されている。図３の実施形態と同様、吸着塔１の一端側（上端側）には、原料ガスの導入ライン４を構成する供給管が接続されているが、その開閉弁８と吸着塔１間の導入ライン４の部分には、パージガス導入用の供給管１３が接続され、この供給管１３には開閉弁１４（遮断弁）が設けられている。また、吸着塔１の他端側（下端側）には、原料オフガス排気用及び脱着ガス排気用の排気管１０が接続され、この排気管１０には、原料オフガスの導入ライン３を構成する排気管と、脱着ガスの排気ライン５を構成する排気管がそれぞれ接続されている。なお、その他の構成は、図１、図３の実施形態と同様であるので、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態でも、図５（ａ）の吸着工程では、吸着塔１に導入ライン４を通じて原料ガスが導入され、原料オフガスが排気管１０及び排気ライン３から排出される。次いで、洗浄工程を行うことなく脱着工程を行うが、その第１時間帯においては、真空ポンプ６で吸着塔１内を減圧することにより、図５（ｂ）に示すようにガス１の回収を目的として分岐ライン５０aを通じて脱着ガス（回収ガスＡ）を回収する。続く脱着工程の第２時間帯においては、ガス２の回収を目的として、図５（ｃ）に示すように開閉弁１４を開放して供給管１３から吸着塔１内にパージガスを導入し、このパージガスでガスを脱着させ、分岐ライン５０bを通じて脱着ガス（回収ガスＢ）をパージガスとともに回収する。なお、この回収ガスＢ＋パージガスの混合ガスは、大気中に放散してもよいし、ガス２の濃度が高いガスとして特定の用途に利用してもよい。
本発明において原料ガスとなる混合ガスは、少なくとも２つ以上のガス成分からなるものであれば特に制限はなく、例えば、製鉄プロセスにおいては、コークス炉ガス、転炉ガスなどがある。
本発明では、種々の目的で原料ガスから目的ガス成分を分離回収することができるが、原料ガスから高カロリーガスを分離回収する場合には、脱着工程において、特定の時間帯に脱着されるガスが、他の時間帯に脱着されるガスよりも熱量が高くなるように、脱着工程を複数の時間帯に区分けし、前記特定の時間帯において脱着されるガスを高カロリーガスとして回収する。したがって、例えば、原料ガスがＣＯとＣＯ２を含む混合ガスである場合には、脱着工程において、特定の時間帯に脱着されるガスが、他の時間帯に脱着されるガスよりもＣＯ濃度が高くなるように、脱着工程を複数の時間帯に区分けし、前記特定の時間帯において脱着されるガスを高カロリーガスとして回収する。
ただし、本発明法は、高カロリーガスの分離回収だけでなく、例えば、熱量が低い２種類以上のガス（いずれも非可燃性ガス）の混合ガスを原料ガスとしてガスの分離回収を行うような場合などにも適用できることはいうまでもない。
図６に示すような内径４０ｍｍ、高さ２００ｍｍ（吸着剤充填層の高さ１９０ｍｍ）の吸着塔を有するＰＳＡ実験装置を用いて本発明の実証実験を行った。吸着剤には市販の１３Ｘゼオライトを使用した。試験条件は、吸着圧５０ｋＰａＧ、脱着圧−９５ｋＰａＧ、サイクルタイム３５１秒とした。原料ガスにはＮ２：４９vol％、ＣＯ２：２２vol％、ＣＯ：２４vol％、Ｈ２：５vol％のガス組成の混合ガスを用い、吸着塔に対してマスフローコントローラー（ＭＦＣ）で流量３Ｌ／ｍｉｎに制御して供給した。
図４の実施形態に準じて、吸着工程、放圧工程、脱着工程を順次行い、脱着工程では第１時間帯において回収ガスＡを、第２時間帯において回収ガスＢをそれぞれ回収した。各工程の時間配分は吸着工程ｔ1：２４３sec、放圧工程ｔ２：６sec、脱着工程の第１時間帯ｔ３：５sec、脱着工程の第２時間帯ｔ４：９７secとした。各工程で原料オフガス、放圧ガス、回収ガスＡ、回収ガスＢを採取し、採取したガスをガスクロマトグラフィーで組成分析した。表１に原料ガスと採取ガスの組成分析結果を示す。
本実験で吸着剤として用いた１３ＸゼオライトはＣＯ２の吸着力が大きいため、吸着工程での原料オフガスの組成（原料ガスからの組成変化）は主にＣＯ２吸着によるものである。一方、回収ガスＡについては、ＣＯ２よりも比較的吸着力の小さいＣＯが４１．７vol％まで濃縮されており、また、回収ガスＢについては、吸着力の大きいＣＯ２が９９．０vol％まで濃縮されており、本発明によるガス分離効果が得られることが確認できる。なお、放圧ガスについては、ＣＯ濃度が回収ガスＡよりは低いものの、３２．３vol％までは濃縮されており、さらにＣＯ２混入量も少ないため、放圧ガスもＣＯ分離ガスとして用いることが可能である。
Figure 2018114464
１ 吸着塔
２ 給排気管
３ 排気ライン
４ 導入ライン
５ 排気ライン
６ 真空ポンプ
７a，７b 開閉弁
８ 開閉弁
９ 開閉弁
１０ 排気管
１１ 放圧管
１２ 放圧弁
１３ 供給管
１４ 開閉弁
５０a，５０b 分岐ライン

Claims (12)

  1. 圧力スイング吸着法により原料ガスから特定のガス成分を分離回収する方法において、
    吸着塔に充填された吸着剤にガス成分を吸着させる吸着工程と、該吸着工程で吸着剤に吸着させたガス成分を脱着させてガスを回収する脱着工程を有するとともに、他の吸着塔の脱着ガスの一部を洗浄ガスとして供給する洗浄工程を有しないガス分離回収方法であり、
    脱着工程を複数の時間帯に区分けし、脱着ガスを前記各時間帯毎に分けて回収することを特徴とするガス分離回収方法。
  2. 吸着工程の際に一端側から原料ガスが導入され、他端側から原料オフガスが排出される吸着塔において、脱着工程では吸着塔の前記他端側から脱着ガスを排出することを特徴とする請求項１に記載のガス分離回収方法。
  3. 吸着塔がガスが上下方向に流れる縦型吸着塔であり、運転時に最もガス流速が大きくなる工程でのガス流れ方向を下向きとすることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス分離回収方法。
  4. 吸着塔に塔内圧力を低下させるための放圧弁を設け、
    脱着工程において真空ポンプで吸着塔内を減圧する前に、前記放圧弁を開放して吸着塔内の圧力を低下させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス分離回収方法。
  5. 脱着工程において、工程開始時からの１つ以上の時間帯では、真空ポンプで吸着塔内を減圧することによりガスを脱着し、その後の時間帯では、真空ポンプを用いることなく吸着塔内にパージガスを導入することによりガスを脱着することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガス分離回収方法。
  6. 脱着工程において、特定の時間帯に脱着されるガスが、他の時間帯に脱着されるガスよりも熱量が高くなるように、脱着工程を複数の時間帯に区分けし、前記特定の時間帯において脱着されるガスを高カロリーガスとして回収することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のガス分離回収方法。
  7. 原料ガスがＣＯとＣＯ２を含む混合ガスであり、脱着工程において、特定の時間帯に脱着されるガスが、他の時間帯に脱着されるガスよりもＣＯ濃度が高くなるように、脱着工程を複数の時間帯に区分けすることを特徴とする請求項６に記載のガス分離回収方法。
  8. 圧力スイング吸着法により原料ガスから特定のガス成分を分離回収する設備において、
    吸着塔に充填された吸着剤にガス成分を吸着させる吸着工程と、該吸着工程で吸着剤に吸着させたガス成分を脱着させてガスを回収する脱着工程を有するとともに、他の吸着塔の脱着ガスの一部を洗浄ガスとして供給する洗浄工程を有しないガス分離回収を行う設備であり、
    脱着ガスの排気ラインが複数に分岐するとともに、各分岐ラインに開閉弁が設けられ、脱着工程で脱着されるガスを時間帯毎に異なる分岐ラインを通じて回収できるようにしたことを特徴とするガス分離回収設備。
  9. 吸着工程の際に一端側から原料ガスが導入され、他端側から原料オフガスが排出される吸着塔において、脱着工程では吸着塔の前記他端側から脱着ガスが排出されるように、脱着ガスの排気ラインが設けられたことを特徴とする請求項８に記載のガス分離回収設備。
  10. 吸着塔がガスが上下方向に流れる縦型吸着塔であり、運転時に最もガス流速が大きくなる工程でのガス流れ方向が下向きとなるように、吸着塔に対するガスの給排気ラインが設けられたことを特徴とする請求項８又は９に記載のガス分離回収設備。
  11. 脱着ガスの排気ラインに吸着塔内を減圧するための真空ポンプが設けられた設備であって、
    吸着塔内の圧力を低下させるための放圧弁を有することを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載のガス分離回収設備。
  12. 脱着ガスの排気ラインに吸着塔内を減圧するための真空ポンプが設けられた設備であって、
    ガス脱着用のパージガスを吸着塔内に導入するためのパージガス導入ラインを有することを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載のガス分離回収設備。
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