JP2018118893A - 熱回収型酸素窒素供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】設備から排出される熱を利用して、空気中に含まれる窒素及び酸素を分離回収し、窒素及び酸素を設備に供給可能とした熱回収型酸素窒素システムを提供する。
【解決手段】酸素窒素供給装置１は、設備１０１から排出される熱Ｈとの熱交換により空気Ｇ３を加熱する熱交換器１０２と、酸素選択型吸蔵剤を用いて空気Ｇ１中に含まれる窒素及び酸素の分離回収を行う窒素酸素分離装置３とを有し、加熱された空気Ｇ３によって、酸素選択型吸蔵剤を加熱し、所定の温度に加熱された酸素選択型吸蔵剤に空気Ｇ３中に含まれる酸素を吸蔵することによって、空気Ｇ３から分離回収された窒素Ｇ５の少なくとも一部を設備１０１に供給し、酸素選択型吸蔵剤に吸蔵した酸素を脱離することによって、空気Ｇ３から分離回収された酸素Ｇ６の少なくとも一部を設備１０１に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱回収型酸素窒素供給システムに関する。

従来より、窒素や酸素などのガスを製造する装置としては、深冷分離装置や、膜分離装置、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置等が用いられている。このうち、深冷分離装置は、大容量の高純度ガスを製造する場合に適しているものの、電力などの費用が嵩むことや、設備の設置面積が大きくなる。一方、膜分離装置は、小容量の比較的低濃度の窒素ガスを製造するのに適している。一方、ＰＳＡ装置は、比較的小〜中容量の窒素又は酸素ガスを製造する場合に適している。また、深冷分離装置に比べて、設備費が安価で済み、運転操作も容易である。

ＰＳＡ装置を用いて高純度の酸素を製造する際に、酸素以外のガス成分（主に窒素）を選択的に吸着するゼオライト系等の吸着剤を用いた場合、このＰＳＡ装置で使用される吸着剤の充填量が膨大となってしまう。また、分子ふるい炭を使用して、酸素を選択的に吸着するＰＳＡ装置を用いた場合、高純度の窒素が製造できるものの、分子ふるい炭から脱離して回収できる酸素の濃度は逆に低くなってしまう。

従来のＰＳＡ装置では、１種類の吸着剤を使用して、高純度の窒素及び酸素を同時に製造することは困難である。したがって、多くの場合、２種類の吸着剤を使用して、２段階の操作にて高純度の窒素及び酸素を製造している。一方、ＰＳＡ装置と膜分離装置とを併用することもある（例えば、下記特許文献１，２を参照。）。しかしながら、これらの方法を用いた場合、装置構成が煩雑となり、コスト高になり易いといった問題があった。

そこで、酸素を選択的に吸蔵及び脱離する酸素選択型吸蔵剤、その中でもペロブスカイト構造を有する酸化物を含む材料を用いて、窒素及び酸素の分離回収を圧力スイング法（ＰＳＡ）又は温度スイング法（ＴＳＡ：Thermal Swing Adsorption）で行うことが提案されている（例えば、下記特許文献３，４を参照。）。

特開２００４−１４８２７０号公報 特開２００６−４３５９９号公報 特許第４７２１９６７号公報 特開２０１０−１２３６７号公報

ところで、酸素選択型吸蔵剤は、高温（３００℃以上）で酸素のみを吸放出できる物質であるため、従来のゼオライトを用いて酸素を製造するＰＳＡ装置よりも酸素の効率的な分離が可能である。また、プロセスの工夫により酸素と同時に窒素も高純度で製造することができる。

一方、化学工場や製鉄所などの高熱を排出する設備では、排熱（廃熱）の利用が求められている。また、これらの設備の中には、酸素や窒素を消費するところもある。例えば、ガラス溶解炉などのガラス製造設備では、酸素バーナーを用いてガラスの溶融を行っているため、酸素を必要としている。一方、高品質なガラスを得るため、ガラス表面に窒素を吹き付ける工程が存在するため、窒素を必要としている。他の分野でも、例えば製鋼設備では、原料の搬送や、溶鉄等の撹拌、冷却などに窒素を使用している。一方、鋼の精錬などに酸素を使用している。また、ごみ溶融炉などのごみ溶融設備では、燃焼用に酸素、保安用に窒素が使用されている。

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、窒素及び酸素を用いる設備において、設備から排出される熱を利用して、空気中に含まれる窒素及び酸素の分離回収を行うと共に、分離回収された窒素及び酸素を設備に供給することを可能とした熱回収型酸素窒素供給システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕 酸素及び窒素を用いる設備と、
前記設備に酸素及び窒素を供給する酸素窒素供給装置とを備え、
前記酸素窒素供給装置は、前記設備から排出される熱を利用して、所定の温度に加熱された酸素選択型吸蔵剤に空気中に含まれる酸素を吸蔵することによって、前記空気から分離回収された窒素の少なくとも一部を前記設備に供給し、前記酸素選択型吸蔵剤に吸蔵した酸素を脱離することによって、前記空気から分離回収された酸素の少なくとも一部を前記設備に供給することを特徴とする熱回収型酸素窒素供給システム。
〔２〕 前記酸素窒素供給装置は、前記酸素選択型吸蔵剤を用いて前記空気中に含まれる窒素及び酸素の分離回収を行う窒素酸素分離装置を有し、
前記所定の温度に加熱された前記酸素選択型吸蔵剤に前記空気中に含まれる酸素を吸蔵することによって、前記空気から分離回収された窒素の少なくとも一部を前記設備に供給し、前記酸素選択型吸蔵剤に吸蔵した酸素を脱離することによって、前記空気から分離回収された酸素の少なくとも一部を前記設備に供給することを特徴とする前記〔１〕に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
〔３〕 前記窒素酸素分離装置は、前記酸素選択型吸蔵剤が充填された窒素酸素分離塔と、前記窒素酸素分離塔内を減圧する減圧ポンプとを有し、
加熱された空気を加圧した状態で前記窒素酸素分離塔に導入し、前記空気により加熱された前記酸素選択型吸蔵剤に当該空気中に含まれる酸素を吸蔵することによって、前記窒素酸素分離塔から導出される窒素を回収する一方、
前記減圧ポンプにより前記窒素酸素分離塔内を減圧し、前記酸素選択型吸蔵剤に吸蔵した酸素を脱離することによって、前記窒素酸素分離塔から導出される酸素を回収することを特徴とする前記〔２〕に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
〔４〕 前記窒素酸素分離装置は、複数の前記窒素酸素分離塔を有して、これら複数の前記窒素酸素分離塔の間で、前記窒素の回収と前記酸素の回収とを順次切り替えながら、前記窒素及び前記酸素の回収を連続して行うことを特徴とする前記〔３〕に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
〔５〕 前記酸素窒素供給装置は、前記設備から排出される熱との熱交換により空気を加熱する熱交換器を有し、
前記加熱された空気によって前記酸素選択型吸蔵剤を前記所定の温度まで加熱することを特徴とする前記〔１〕〜〔４〕の何れか一項に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
〔６〕 前記酸素窒素供給装置は、空気中に含まれる二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置を有し、
前記二酸化炭素除去装置により二酸化炭素が除去された空気から前記酸素選択型吸蔵剤を用いて窒素及び酸素の分離回収を行うことを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕の何れか一項に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
〔７〕 前記二酸化炭素除去装置は、二酸化炭素を吸着及び脱離する吸着剤が充填された二酸化炭素除去塔と、前記二酸化炭素除去塔に導入される空気を加圧する加圧ポンプとを有し、
前記加圧ポンプにより室温の空気を加圧した状態で前記二酸化炭素除去塔に導入し、この空気中に含まれる二酸化炭素を前記吸着剤に吸着して除去することを特徴とする前記〔６〕に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
〔８〕 前記二酸化炭素除去装置は、前記二酸化炭素を除去した後に、前記窒素酸素分離装置において加熱された状態で回収された窒素の一部を、温度を保持したまま再生ガスとして前記二酸化炭素除去塔に導入し、前記吸着剤に吸着した二酸化炭素を脱離することによって、前記吸着剤を再生することを特徴とする前記〔７〕に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
〔９〕 前記二酸化炭素除去装置は、一対の前記二酸化炭素除去塔を有して、一方の二酸化炭素除去塔と他方の二酸化炭素除去塔との間で、前記二酸化炭素の除去と前記吸着剤の再生とを交互に切り替えて行うことを特徴とする前記〔８〕に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
〔１０〕 前記吸着剤は、ゼオライト又は活性アルミナ若しくはゼオライトと活性アルミナとを積層したものであることを特徴とする前記〔７〕〜〔９〕の何れか一項に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
〔１１〕 前記酸素選択型吸蔵剤は、酸素不定比性を有し、且つ、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物であることを特徴とする前記〔１〕〜〔１０〕の何れか一項に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
〔１２〕 前記設備は、ガラス製造設備と、製鋼設備と、ごみ溶融設備との何れかであることを特徴とする前記〔１〕〜〔１１〕の何れか一項に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。

以上のように、本発明によれば、設備から排出される熱を利用して、空気中に含まれる窒素及び酸素の分離回収を行うと共に、分離回収された窒素及び酸素を設備に供給することを可能とした熱回収型酸素窒素供給システムを提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る熱回収型酸素窒素供給システムの一構成例を示すブロック図である。 図１に示す熱回収型酸素窒素供給システムを構成するガラス溶解炉の一例を示す模式図である。 図１に示す熱回収型酸素窒素供給システムを構成する酸素窒素供給装置の一例を示す系統図である。 図３に示す状態から、一方の二酸化炭素除去塔と他方の二酸化炭素除去塔との間で、二酸化炭素除去工程と吸着剤再生工程とを切り替えた状態を示す系統図である。 図３に示す状態から、一方の窒素酸素分離塔と他方の窒素酸素分離塔との間で、窒素回収工程と酸素回収工程とを切り替えた状態を示す系統図である。 図３に示す状態から、一方の窒素酸素分離塔において脱圧工程を行った状態を示す系統図である。 図６に示す状態から、一方の窒素酸素分離塔において酸素回収工程を行い、他方の窒素酸素分離塔において充圧工程を行った状態を示す系統図である。

以下、本発明を適用した熱回収型酸素窒素供給システムの一例について、図面を参照して詳細に説明する。

先ず、本発明の一実施形態として、例えば図１に示す熱回収型酸素窒素供給システム１００について説明する。なお、図１は、熱回収型酸素窒素供給システム１００の構成を示すブロック図である。

本実施形態の熱回収型酸素窒素供給システム１００は、図１に示すように、酸素（Ｏ_２）及び窒素（Ｎ_２）を用いる設備であるガラス溶解炉１０１と、ガラス溶解炉１０１に酸素（Ｏ_２）及び窒素（Ｎ_２）を供給する酸素窒素供給装置１とを備えている。

熱回収型酸素窒素供給システム１００では、ガラス溶解炉１０１から排出される熱（廃熱）Ｈを利用して、酸素窒素供給装置１が所定の温度に加熱された酸素選択型吸蔵剤Ｓ２を用いて、原料ガスＧ１となる空気（Ａｉｒ）中に含まれる窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）の分離回収を行うと共に、分離回収された窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）をガラス溶解炉１０１に供給することによって、廃熱Ｈの利用と、酸素（Ｏ_２）及び窒素（Ｎ_２）の供給とを両立したシステムを従来よりも安価に構築するものである。

具体的に、この熱回収型酸素窒素供給システム１００は、酸素窒素供給装置１として、原料ガスＧ１からの二酸化炭素（ＣＯ_２）の除去を行う二酸化炭素除去装置２と、ガラス溶融炉１０１から排出される廃熱Ｈとの熱交換によって、二酸化炭素（ＣＯ_２）が除去された原料ガス（以下、処理ガスという。）Ｇ３を加熱する熱交換器１０２と、加熱された処理ガスＧ３を用いて酸素選択型吸蔵剤Ｓ２を加熱することによって、当該処理ガスＧ３中からの窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）の分離回収を行う窒素酸素分離装置３とを備えている。

次に、ガラス溶解炉１０１の構成について、図２を参照して説明する。なお、図２は、ガラス溶解炉１０１の構成を示す模式図である。
本実施形態のガラス溶解炉１０１は、図２に示すように、ガラス製造設備の一部として、酸素バーナー１０３を用いてガラス原料を高温（例えば１４００〜１５００℃程度）で溶解させる溶解室１０４と、酸素バーナー１０３を用いて溶解したガラスを所定の温度（例えば１１００〜１２００℃程度）まで下げる清澄室１０５と、ガラスを成型する成型室１０６とを備えている。

このうち、酸素バーナー１０３には、酸素窒素供給装置１で分離回収された酸素（Ｏ_２）を供給し、成型室１０６には、酸素窒素供給装置１で分離回収された窒素（Ｎ_２）と水素（Ｈ_２）との混合ガスを供給する。

一方、溶解室１０４から排出される燃焼ガス（廃熱Ｈ）を熱交換器１０２に供給することによって、熱交換器１０２に供給される処理ガスＧ３との間で熱交換が行われる。これにより、ガラス溶解炉１０１から排出される廃熱Ｈによって、処理ガスＧ３を加熱することなる。

次に、酸素窒素供給装置１の構成について、図３〜図６を参照して説明する。なお、図３は、酸素窒素供給装置１の構成を示す系統図である。図４は、図３に示す状態から、一方の二酸化炭素除去塔４Ａと他方の二酸化炭素除去塔４Ｂとの間で、二酸化炭素除去工程と吸着剤再生工程とを切り替えた状態を示す系統図である。図５は、図３に示す状態から、一方の窒素酸素分離塔９Ａと他方の窒素酸素分離塔９Ｂとの間で、窒素回収工程と酸素回収工程とを切り替えた状態を示す系統図である。図６は、図３に示す状態から、一方の窒素酸素分離塔９Ａにおいて脱圧工程を行った状態を示す系統図である。図７は、図６に示す状態から、一方の窒素酸素分離塔９Ａにおいて酸素回収工程を行い、他方の窒素酸素分離塔９Ｂにおいて充圧工程を行った状態を示す系統図である。

本実施形態の酸素窒素供給装置１は、図３に示すように、大気中の空気（Ａｉｒ）を原料ガスＧ１として用いて、高純度（濃度）の窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）を製造し、上記ガラス溶融炉１０１に供給するものである。

具体的に、この酸素窒素供給装置１は、空気（Ａｉｒ）からの二酸化炭素（ＣＯ_２）の除去を温度スイング法（ＴＳＡ）で行う二酸化炭素除去装置２と、二酸化炭素（ＣＯ_２）が除去された空気（Ａｉｒ）からの窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）の分離回収を圧力スイング法（ＰＳＡ）で行う窒素酸素分離装置３とを備えている。

また、本実施形態の酸素窒素供給装置１は、ガラス溶融炉１０１から排出される廃熱Ｈとの熱交換によって、二酸化炭素除去装置２により二酸化炭素（ＣＯ_２）が除去された処理ガスＧ３を加熱する熱交換器１０２を備え、加熱された処理ガスＧ３を窒素酸素分離装置３に供給する。

二酸化炭素除去装置２は、二酸化炭素（ＣＯ_２）を吸着及び脱離する吸着剤Ｓ１が内部に設けられた一対（２つ）の二酸化炭素除去塔４Ａ，４Ｂを備えている。一対の二酸化炭素除去塔４Ａ，４Ｂは、基本的に同じ構成であり、中空円筒状に形成されて、その上下両端に上部側配管４ａ及び下部側配管４ｂが接続された構成を有している。

吸着剤Ｓ１は、これら二酸化炭素除去塔４Ａ，４Ｂの内部に充填されている。なお、本実施形態の二酸化炭素除去塔４Ａ，４Ｂには、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）などの金属が用いられているが、原料ガスＧ１や後述する再生ガスＧ２と反応せず、高温及び高圧に耐え得ることができる材質のものであればよく、これに必ずしも限定されるものではない。

吸着剤Ｓ１は、温度差により二酸化炭素（ＣＯ_２）を吸着及び脱離できる物質を用いている。その中でも、ゼオライト又は活性アルミナ若しくはゼオライトと活性アルミナとを積層したものを用いることが好ましい。なお、本実施形態では、吸着剤Ｓ１として、ＮａＸ型ゼオライトを用いている。

二酸化炭素除去装置２は、原料ガスＧ１を二酸化炭素除去塔４Ａ，４Ｂに導入する原料ガス導入部５と、吸着剤Ｓを再生する再生ガスＧ２を二酸化炭素除去塔４Ａ，４Ｂに導入する再生ガス導入部６と、二酸化炭素除去塔４Ａ，４Ｂに導入される原料ガスＧ１を加圧する加圧ポンプ７とを備えている。

原料ガス導入部５は、一方の二酸化炭素除去塔４Ａの下部側配管４ｂから分岐された一方の原料ガス導入配管５ａを通して一方の二酸化炭素除去塔４Ａに原料ガスＧ１を導入する。一方、原料ガス導入部５は、一方の二酸化炭素除去塔４Ａの上部側配管４ａから分岐された一方の処理ガス導出配管５ｂを通して一方の二酸化炭素除去塔４Ａから二酸化炭素（ＣＯ_２）が除去された処理ガスＧ３を導出する。

同様に、原料ガス導入部５は、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂの下部側配管４ｂから分岐された他方の原料ガス導入配管５ｃを通して他方の二酸化炭素除去塔４Ｂに原料ガスＧ１を導入する。一方、原料ガス導入部５は、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂの上部側配管４ａから分岐された他方の処理ガス導出配管５ｄを通して他方の二酸化炭素除去塔４Ｂから処理ガスＧ３を導出する。

さらに、一方の原料ガス導入配管５ａと他方の原料ガス導入配管５ｃとは、互いの入側で連結されて共通の原料ガス導入配管５ｅを構成している。これに対して、一方の処理ガス導出配管５ｂと他方の処理ガス導出配管５ｄとは、互いの出側で連結されて共通の処理ガス導出配管５ｆを構成している。

また、原料ガス導入部５は、一方の原料ガス導入配管５ａを開閉する第１の二酸化炭素除去側開閉弁８ａと、一方の処理ガス導出配管５ｂを開閉する第２の二酸化炭素除去側開閉弁８ｂと、他方の原料ガス導入配管５ｃを開閉する第３の二酸化炭素除去側開閉弁８ｃと、他方の処理ガス導出配管５ｄを開閉する第４の二酸化炭素除去側開閉弁８ｄとを有している。

再生ガス導入部６は、一方の二酸化炭素除去塔４Ａの上部側配管４ａから分岐された一方の再生ガス導入配管６ａを通して一方の二酸化炭素除去塔４Ａに再生ガスＧ２を導入する。一方、再生ガス導入部６は、一方の二酸化炭素除去塔４Ａの下部側配管４ｂから分岐された一方の排ガス導出配管６ｂを通して一方の二酸化炭素除去塔４Ａから脱離された二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む再生ガス（以下、排ガスという。）Ｇ４を導出する。

同様に、再生ガス導入部６は、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂの上部側配管４ａから分岐された他方の再生ガス導入配管６ｃを通して他方の二酸化炭素除去塔４Ｂに再生ガスＧ２を導入する。一方、再生ガス導入部６は、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂの下部側配管４ｂから分岐された他方の排ガス導出配管６ｄを通して他方の二酸化炭素除去塔４Ｂから排ガスＧ４を導出する。

さらに、一方の再生ガス導入配管６ａと他方の再生ガス導入配管６ｃとは、互いの入側で連結されて共通の再生ガス導入配管６ｅを構成している。これに対して、一方の排ガス導出配管６ｂと他方の排ガス導出配管６ｄとは、互いの出側で連結されて共通の排ガス導出配管６ｆを構成している。

また、再生ガス導入部６は、一方の再生ガス導入配管６ａを開閉する第５の二酸化炭素除去側開閉弁８ｅと、一方の排ガス導出配管６ｂを開閉する第６の二酸化炭素除去側開閉弁８ｆと、他方の再生ガス導入配管６ｃを開閉する第７の二酸化炭素除去側開閉弁８ｇと、他方の排ガス導出配管６ｄを開閉する第８の二酸化炭素除去側開閉弁８ｈとを有している。

なお、本実施形態では、上述した各原料ガス導入配管５ａ，５ｃ，５ｅ、各処理ガス導出配管５ｂ，５ｄ，５ｆ、各再生ガス導入配管６ａ，６ｃ，６ｅ、各排ガス導出配管６ｂ，６ｄ，６ｆとして、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）などの金属が用いられているが、原料ガスＧ１や再生ガスＧ２と反応せず、高温及び高圧に耐え得ることができる材質のものであればよく、これに必ずしも限定されるものではない。

また、本実施形態では、第１〜第８の二酸化炭素除去側開閉弁８ａ〜８ｈとして、ダイヤフラム弁を用いているが、原料ガスＧ１や再生ガスＧ２と反応せず、高温及び高圧に耐え得ることができるものであればよく、例えば、ボール弁などの様々な方式の開閉弁を用いることが可能である。

加圧ポンプ７は、原料ガス導入配管５ｅに設けられて、二酸化炭素除去塔４Ａ，４Ｂに導入される原料ガスＧ１を加圧する。本実施形態では、加圧ポンプ７として、スクロール式圧縮機を用いているが、原料ガスＧ１中に含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）を吸着剤Ｓに吸着させるのに十分な圧力（本実施形態では２００〜３００ｋＰａＧ程度）まで、原料ガスＧ１を加圧できるものであればよく、これ以外にも様々な方式の加圧ポンプを用いることが可能である。

熱交換器１０２は、上述したガラス溶解炉１０１（溶解室１０４）から排出される廃熱Ｈを利用して、二酸化炭素除去装置２の処理ガス導出配管５ｆより導出された処理ガスＧ３を加熱する。加熱された処理ガスＧ３は、処理ガス導入部１０ｇを通じて窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂに導入される。そして、この加熱された処理ガスＧ３によって酸素選択型吸蔵剤Ｓ２を、処理ガスＧ３中に含まれる酸素（Ｏ_２）を酸素選択型吸蔵剤Ｓ２に吸蔵させるのに十分な温度（本実施形態では２００〜４００℃程度）まで加熱する。

本実施形態では、熱交換器１０２として、チューブ型熱交換器を用いているが、これに必ずしも限定されるものではなく、これ以外にも廃熱Ｈを利用して処理ガスＧ３を加熱できるものであればよい。

さらに、酸素選択型吸蔵剤Ｓ２を加熱する方法としては、上述した熱交換器１０２により処理ガスＧ３を加熱する構成に限らず、廃熱Ｈによって窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂを直接加熱する構成によって、酸素選択型吸蔵剤Ｓ２を加熱するようにしてもよい。また、必要に応じてヒーターによる加熱を行ってもよい。

窒素酸素分離装置３は、酸素（Ｏ_２）を選択的に吸蔵及び脱離する酸素選択型吸蔵剤Ｓ２が内部に設けられた複数（本実施形態では２つ）の窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂを備えている。複数の窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂは、基本的に同じ構成であり、中空円筒状に形成されて、その上下両端に上部側配管９ａ及び下部側配管９ｂが接続された構成を有している。

酸素選択型吸蔵剤Ｓ２は、これら窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂの内部に充填されている。なお、本実施形態の窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂには、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）などの金属が用いられているが、加熱された処理ガスＧ３や後述する充圧ガスＧ７と反応せず、高温及び高圧に耐え得ることができる材質のものであればよく、これに必ずしも限定されるものではない。

酸素選択型吸蔵剤Ｓ２は、圧力差により酸素を選択的に吸蔵及び脱離できる物質を用いている。その中でも、酸素不定比性を有し、且つ、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物を用いることが好ましい。具体的には、ＹＢａＣｏ_４Ｏ_７＋δ（１．０≦δ≦１．５）、Ｃａ_２ＡｌＭｎＯ_５＋δ（０≦δ≦０．５）、Ｌａ_ＸＢ_{ａ（１−Ｘ）}ＣｏＯ_３−δ（０．１≦Ｘ≦０．５）、Ｌａ_ＸＳｒ_{（１−Ｘ）}ＣｏＯ_３−δ（０．１≦Ｘ≦０．５）、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（０≦δ≦１．０）などを好適に用いることができる。なお、本実施形態では、酸素選択型吸蔵剤Ｓ２として、ＹＢａＣｏ_４Ｏ_７＋δを用いている。

窒素酸素分離装置３は、上述した加熱された処理ガスＧ３を窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂに導入する処理ガス導入部１０と、後述する処理ガスＧ３から分離回収された窒素ガスＧ５の一部を充圧ガスＧ７として窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂに導入する充圧ガス導入部１１と、後述する窒素回収工程時の加圧された状態（本実施形態では２００〜３００ｋＰａＧ程度）から圧力を開放し、大気圧まで脱圧するときに、窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂ内の処理ガスＧ３及び窒素（Ｎ_２）を排ガスＧ８として窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂから導出する排ガス導出部１２と、窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂ内を減圧する減圧ポンプ１３とを備えている。

処理ガス導入部１０は、一方の窒素酸素分離塔９Ａの下部側配管９ｂから分岐された一方の処理ガス導入配管１０ａを通して一方の窒素酸素分離塔９Ａに処理ガスＧ３を導入する。一方、処理ガス導入部１０は、一方の窒素酸素分離塔９Ａの上部側配管９ａから分岐された一方の窒素導出配管１０ｂを通して一方の窒素酸素分離塔９Ａから分離回収された窒素ガスＧ５を導出する。一方、処理ガス導入部１０は、一方の窒素酸素分離塔９Ａの下部側配管９ｂから分岐された一方の酸素導出配管１０ｃを通して一方の窒素酸素分離塔９Ａから分離回収された酸素ガスＧ６を導出する。

同様に、処理ガス導入部１０は、他方の窒素酸素分離塔９Ｂの下部側配管９ｂから分岐された他方の処理ガス導入配管１０ｄを通して他方の窒素酸素分離塔９Ｂに処理ガスＧ３を導入する。一方、処理ガス導入部１０は、他方の窒素酸素分離塔９Ｂの上部側配管９ａから分岐された他方の窒素導出配管１０ｅを通して他方の窒素酸素分離塔９Ｂから分離回収された窒素ガスＧ５を導出する。一方、処理ガス導入部１０は、他方の窒素酸素分離塔９Ｂの下部側配管９ｂから分岐された他方の酸素導出配管１０ｆを通して他方の窒素酸素分離塔９Ｂから分離回収された酸素ガスＧ６を導出する。

さらに、一方の処理ガス導入配管１０ａと他方の処理ガス導入配管１０ｄとは、互いの入側で連結されて共通の処理ガス導入配管１０ｇを構成している。また、処理ガス導入配管１０ｇは、上記熱交換器１０２と連結されている。

これに対して、一方の窒素導出配管１０ｂと他方の窒素導出配管１０ｅとは、互いの出側で連結されて共通の窒素導出配管１０ｈを構成している。また、一方の酸素導出配管１０ｃと他方の酸素導出配管１０ｆとは、互いの出側で連結されて共通の酸素導出配管１０ｉを構成している。

また、処理ガス導入部１０は、一方の処理ガス導入配管１０ａを開閉する第１の窒素酸素分離側開閉弁１４ａと、一方の窒素導出配管１０ｂを開閉する第２の窒素酸素分離側開閉弁１４ｂと、一方の酸素導出配管１０ｃを開閉する第３の窒素酸素分離側開閉弁１４ｃと、他方の処理ガス導入配管１０ｄを開閉する第４の窒素酸素分離側開閉弁１４ｄと、他方の窒素導出配管１０ｅを開閉する第５の窒素酸素分離側開閉弁１４ｅと、他方の酸素導出配管１０ｆを開閉する第６の窒素酸素分離側開閉弁１４ｆとを有している。

上述した再生ガスＧ２として、処理ガスＧ３から分離回収された窒素ガスＧ５の一部を二酸化炭素除去塔４Ａ，４Ｂに導入するため、再生ガス導入部６は、上記再生ガス導入配管６ｅから分岐された加熱再生ガス導入配管６ｇ及び冷却再生ガス導入配管６ｈを有している。

加熱再生ガス導入配管６ｇは、窒素導出配管１０ｈから導出される窒素ガスＧ５の一部を、温度を保持したまま、加熱された状態の再生ガスＧ２として、再生ガス導入配管６ｅに導入する。また、各再生ガス導入配管６ａ，６ｃ，６ｅ及び加熱再生ガス導入配管６ｇについては、再生ガスＧ２の熱損失を最小限に抑えるため、保温された状態となっている。

一方、冷却再生ガス導入配管６ｈは、窒素導出配管１０ｈから導出される窒素ガスＧ５の一部を、常温まで冷却した後、冷却された状態の再生ガスＧ２として、再生ガス導入配管６ｅに導入する。また、冷却再生ガス導入配管６ｈについては、再生ガスＧ２を常温まで冷却するため、十分な長さを確保したり、放熱フィンを設けたりしてもよい。

また、再生ガス導入部６は、加熱再生ガス導入配管６ｇを開閉する第９の二酸化炭素除去側開閉弁８ｉと、冷却再生ガス導入配管６ｈを開閉する第１０の二酸化炭素除去側開閉弁８ｊとを有している。

充圧ガス導入部１１は、上述した処理ガスＧ３から分離回収された窒素ガスＧ５の一部を充圧ガスＧ７として導入するため、一方の窒素酸素分離塔９Ａの上部側配管９ａから分岐された一方の充圧ガス導入配管１１ａを通して一方の窒素酸素分離塔９Ａに充圧ガスＧ７を導入する。

同様に、充圧ガス導入部１１は、他方の窒素酸素分離塔９Ｂの上部側配管９ａから分岐された他方の充圧ガス導入配管１１ｂを通して他方の窒素酸素分離塔９Ｂに充圧ガスＧ７を導入する。

さらに、一方の充圧ガス導入配管１１ａと他方の充圧ガス導入配管１１ｂとは、互いに入側で連結されて充圧ガス導入配管１１ｃを構成している。一方の充圧ガス導入配管１１ａ、他方の充圧ガス導入配管１１ｂ及び充圧ガス導入配管１１ｃは、窒素ガスＧ５の一部を充圧ガスＧ７として、温度と圧力とを保持したまま窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂに導入する。また、各充圧ガス導入配管１１ａ，１１ｂ，１１ｃについては、充圧ガスＧ７の熱損失を最小限に抑えるため、保温された状態となっている。

また、充圧ガス導入部１１は、一方の充圧ガス導入配管１１ａを開閉する第７の窒素酸素分離側開閉弁１４ｇと、他方の充圧ガス導入配管１１ｂを開閉する第８の窒素酸素分離側開閉弁１４ｈと、充圧ガス導出配管１１ｃを開閉する第９の窒素酸素分離側開閉弁１４ｉを有している。

排ガス導出部１２は、一方の窒素酸素分離塔９Ａの下部側配管９ｂから分岐された一方の排ガス導出配管１２ａを通して一方の窒素酸素分離塔９Ａから処理ガスＧ３及び窒素（Ｎ_２）を含む排ガスＧ８を導出する。

同様に、排ガス導出部１２は、他方の窒素酸素分離塔９Ｂの下部側配管９ｂから分岐された他方の排ガス導出配管１２ｂを通して他方の窒素酸素分離塔９Ｂから処理ガスＧ３及び窒素（Ｎ_２）を含む排ガスＧ８を導出する。

さらに、一方の排ガス導出配管１２ａと他方の排ガス導出配管１２ｂとは、互いに出側で連結されて排ガス導出配管１２ｃを構成している。

また、排ガス導出配管１２は、一方の排ガス導出配管１２ａを開閉する第１０の窒素酸素分離側開閉弁１４ｊと、他方の排ガス導出配管１２ｂを開閉する第１１の窒素酸素分離側開閉弁１４ｋとを有している。

なお、本実施形態の各処理ガス導入配管１０ａ，１０ｄ，１０ｇ、各窒素排出配管１０ｂ，１０ｅ，１０ｈ、各酸素排出配管１０ｃ，１０ｆ，１０ｉ、各充圧ガス導入配管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ、各排ガス導出配管１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、各再生ガス導入配管６ｇ，６ｈには、上述した各原料ガス導入配管５ａ，５ｃ，５ｅ、各処理ガス導出配管５ｂ，５ｄ，５ｆ、各再生ガス導入配管６ａ，６ｃ，６ｅ、各排ガス導出配管６ｂ，６ｄ，６ｆと基本的に同じものを用いることができる。また、本実施形態の第１〜第１１の窒素酸素分離側開閉弁１４ａ〜１４ｋ、第９及び第１０の二酸化炭素除去側開閉弁８ｉ，８ｊには、上述した第１〜第８の二酸化炭素除去側開閉弁８ａ〜８ｈと基本的に同じものを用いることができる。

減圧ポンプ１３は、酸素導出配管１０ｉに設けられて、窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂ内を減圧（真空引き）する。本実施形態では、減圧ポンプ１３として、ダイヤフラム式真空ポンプを用いているが、窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂ内を減圧できるものであればよく、これ以外にも様々な方式の減圧ポンプを用いることが可能である。

次に、上記酸素窒素供給装置１を用いた窒素及び酸素の製造方法について図３〜図７を参照して説明する。
本実施形態の酸素窒素供給装置１を用いた窒素及び酸素の製造方法では、先ず、二酸化炭素除去装置（二酸化炭素除去装置）２において、図３に示すように、原料ガスＧ１となる大気中の空気（Ａｉｒ）から二酸化炭素（ＣＯ_２）を除去する。

具体的に、この二酸化炭素除去装置２では、一方の二酸化炭素除去塔４Ａが、原料ガスＧ１中に含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）を吸着剤Ｓ１に吸着して除去する二酸化炭素除去工程を行っている間、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂが、吸着剤Ｓ１に吸着した二酸化炭素（ＣＯ_２）を脱離することによって、吸着剤Ｓ１を再生する吸着剤再生工程を行う。

すなわち、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、一方の二酸化炭素除去塔４Ａの二酸化炭素除去工程として、加圧ポンプ７により常温の原料ガスＧ１を所定の圧力（本実施形態では２００〜３００ｋＰａＧ程度）まで加圧した状態で、一方の二酸化炭素除去塔４Ａに導入し、この原料ガスＧ１中に含まれる二酸化酸素（ＣＯ_２）を吸着剤Ｓ１に吸着して除去する。

このとき、二酸化炭素除去装置２では、第１及び第２の二酸化炭素除去側開閉弁８ａ，８ｂを開放し、第５及び第６の二酸化炭素除去側開閉弁８ｅ，８ｆを閉塞する。これにより、原料ガス導入配管５ｅ及び一方の原料ガス導入配管５ａを通して一方の二酸化炭素除去塔４Ａの下部側配管４ｂ側から原料ガスＧ１が加圧された状態で導入される。

一方の二酸化炭素除去塔４Ａに導入された原料ガスＧ１は、一方の二酸化炭素除去塔４Ａ内を通過する間に吸着剤Ｓ１によって、この原料ガスＧ１中に含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）が吸着されて除去される。二酸化炭素（ＣＯ_２）が除去された原料ガス（処理ガス）Ｇ３は、一方の二酸化炭素除去塔４Ａの上部側配管４ａ側から一方の処理ガス導出配管５ｂ及び処理ガス導出配管５ｆを通して導出される。

これに対して、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂの再生工程として、後述する窒素酸素分離装置３において処理ガスＧ３から分離回収された窒素ガスＧ５の一部を再生ガスＧ２として、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂに導入する。

このとき、二酸化炭素除去装置２では、加熱工程として、第７、第８及び第９の二酸化炭素除去側開閉弁８ｇ，８ｈ，８ｉを開放し、第３、第４及び第１０の二酸化炭素除去側開閉弁８ｃ，８ｄ，８ｊを閉塞する。これにより、加熱再生ガス導入配管６ｇ、再生ガス導入配管６ｅ及び他方の再生ガス導入配管６ｃを通して他方の二酸化炭素除去塔４Ｂの上部側配管４ａ側から加熱された状態の再生ガスＧ２が導入される。

ここで、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂに導入される加熱された状態の再生ガスＧ２は、後述する窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂから導出される高温の窒素（Ｎ_２）であるため、この高温の再生ガスＧ２により吸着剤Ｓ１を再生温度まで十分に加熱することができる。

他方の二酸化炭素除去塔４Ｂに導入された再生ガスＧ２は、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂ内を通過する間に、吸着剤Ｓ１を再生温度まで加熱する。これより、吸着剤Ｓ１に吸着された二酸化炭素（ＣＯ_２）が脱離する。脱離された二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む再生ガス（排ガス）Ｇ４は、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂの下部側配管４ｂ側から他方の排ガス導出配管６ｄ及び排ガス導出配管６ｆを通して導出される。

加熱工程の後は、冷却工程として、冷却された状態の再生ガスＧ２を他方の二酸化炭素除去塔４Ｂに導入する。このとき、二酸化炭素除去装置２では、第７、第８及び第１０の二酸化炭素除去側開閉弁８ｇ，８ｈ，８ｊを開放し、第３、第４及び第９の二酸化炭素除去側開閉弁８ｃ，８ｄ，８ｉを閉塞する。これにより、冷却再生ガス導入配管６ｈ、再生ガス導入配管６ｅ及び他方の再生ガス導入配管６ｃを通して他方の二酸化炭素除去塔４Ｂの上部側配管４ａ側から冷却された状態の再生ガスＧ２が導入される。

冷却された状態の再生ガスＧ２は、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂ内を通過する間に、吸着剤Ｓ１を常温まで冷却する。これより、吸着剤Ｓ１の二酸化炭素（ＣＯ_２）を吸着する能力を回復させ、この吸着剤Ｓ１を再生することができる。

本実施形態の酸素窒素供給装置１では、一方の二酸化炭素除去塔４Ａにおいて、吸着剤Ｓ１の二酸化炭素（ＣＯ_２）を吸着する能力が低下したときに、図４に示すように、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂが二酸化炭素除去工程、一方の二酸化炭素除去塔４Ａが吸着剤再生工程を行うように切り替える。そして、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂが二酸化炭素除去工程を行っている間、一方の二酸化炭素除去塔４Ａが再生工程を行う。

すなわち、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂの二酸化炭素除去工程として、加圧ポンプ７により常温の原料ガスＧ１を所定の圧力（本実施形態では２００〜３００ｋＰａＧ）まで加圧した状態で、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂに導入し、この原料ガスＧ１中に含まれる二酸化酸素（ＣＯ_２）を吸着剤Ｓ１に吸着して除去する。

このとき、二酸化炭素除去装置２では、第３及び第４の二酸化炭素除去側開閉弁８ｃ，８ｄを開放し、第７及び第８の二酸化炭素除去側開閉弁８ｇ，８ｈを閉塞する。これにより、原料ガス導入配管５ｅ及び他方の原料ガス導入配管５ｃを通して他方の二酸化炭素除去塔４Ｂの下部側配管４ｂ側から原料ガスＧ１が加圧された状態で導入される。

他方の二酸化炭素除去塔４Ｂに導入された原料ガスＧ１は、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂ内を通過する間に吸着剤Ｓ１によって、この原料ガスＧ１中に含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）が吸着されて除去される。二酸化炭素（ＣＯ_２）が除去された原料ガス（処理ガス）Ｇ３は、他方の二酸化炭素除去塔４Ｂの上部側配管４ａ側から他方の処理ガス導出配管５ｄ及び処理ガス導出配管５ｆを通して導出される。

これに対して、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、一方の二酸化炭素除去塔４Ａの再生工程として、後述する窒素酸素分離装置３において処理ガスＧ３から分離回収された窒素ガスＧ５の一部を再生ガスＧ２として、一方の二酸化炭素除去塔４Ａに導入する。

このとき、二酸化炭素除去装置２では、加熱工程として、第５、第６及び第９の二酸化炭素除去側開閉弁８ｅ，８ｆ，８ｉを開放し、第１、第２及び第１０の二酸化炭素除去側開閉弁８ａ，８ｂ，８ｊを閉塞する。これにより、加熱再生ガス導入配管６ｇ、再生ガス導入配管６ｅ及び一方の再生ガス導入配管６ａを通して一方の二酸化炭素除去塔４Ａの上部側配管４ａ側から加熱された状態の再生ガスＧ２が導入される。

一方の二酸化炭素除去塔４Ａに導入された再生ガスＧ２は、一方の二酸化炭素除去塔４Ａ内を通過する間に、吸着剤Ｓ１を再生温度まで加熱する。これより、吸着剤Ｓ１に吸着された二酸化炭素（ＣＯ_２）が脱離する。脱離された二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む再生ガス（排ガス）Ｇ４は、一方の二酸化炭素除去塔４Ａの下部側配管４ｂ側から一方の排ガス導出配管６ｂ及び排ガス導出配管６ｆを通して導出される。

加熱工程の後は、冷却工程として、冷却された状態の再生ガスＧ２を一方の二酸化炭素除去塔４Ａに導入する。このとき、二酸化炭素除去装置２では、第５、第６及び第１０の二酸化炭素除去側開閉弁８ｅ，８ｆ，８ｊを開放し、第１、第２及び第９の二酸化炭素除去側開閉弁８ａ，８ｂ，８ｉを閉塞する。これにより、冷却再生ガス導入配管６ｈ、再生ガス導入配管６ｅ及び一方の再生ガス導入配管６ａを通して一方の二酸化炭素除去塔４Ａの上部側配管４ａ側から冷却された状態の再生ガスＧ２が導入される。

冷却された状態の再生ガスＧ２は、一方の二酸化炭素除去塔４Ａ内を通過する間に、吸着剤Ｓ１を常温まで冷却する。これより、吸着剤Ｓ１の二酸化炭素（ＣＯ_２）を吸着する能力を回復させ、この吸着剤Ｓ１を再生することができる。

以上のようにして、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、上述した一方の二酸化炭素除去塔４Ａと他方の二酸化炭素除去塔４Ｂとの間で、二酸化炭素除去工程と再生工程とを交互に切り替えることで、原料ガスＧ１中に含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）を連続的に除去することが可能である。

次に、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、図３に示すように、熱交換器１０２において、上述したガラス溶解炉１０１（溶解室１０４）から排出される廃熱Ｈとの熱交換を行うことによって、二酸化炭素除去装置２の処理ガス導出配管５ｆより導出された処理ガスＧ３を加熱する。加熱された処理ガスＧ３は、処理ガス導入部１０ｇを通じて窒素酸素分離装置３に供給される。

次に、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、図３に示すように、窒素酸素分離装置３において、上述した二酸化炭素除去装置２により二酸化炭素（ＣＯ_２）が除去された後、熱交換器１０２を通過することにより加熱された原料ガス（処理ガス）Ｇ３から窒素（Ｎ_２）と酸素（Ｏ_２）とを分離して回収する。

具体的に、この窒素酸素分離装置３では、一方の窒素酸素分離塔９Ａが、処理ガスＧ３中に含まれる酸素（Ｏ_２）を酸素選択型吸蔵剤Ｓ２に吸蔵することによって、一方の窒素酸素分離塔９Ａから導出される窒素ガスＧ５を回収する窒素回収工程を行っている間、他方の窒素酸素分離塔９Ｂが、酸素選択型吸蔵剤Ｓ２に吸蔵した酸素（Ｏ_２）を脱離することによって、他方窒素酸素分離塔９Ｂから導出される酸素ガスＧ６を回収する酸素回収工程を行う。

すなわち、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、一方の窒素酸素分離塔９Ａの窒素回収工程として、上述した加熱された処理ガスＧ３を一方の窒素酸素分離塔９Ａに導入し、一方の窒素酸素分離塔９Ａ内の酸素選択型吸蔵剤Ｓ２を所定の温度（本実施形態では２００〜４００℃程度）まで加熱した状態で、この処理ガスＧ３中に含まれる酸素（Ｏ_２）を酸素選択型吸蔵剤Ｓ２に吸蔵する。

このとき、窒素酸素分離装置３では、第１及び第２の窒素酸素分離側開閉弁１４ａ，１４ｂを開放し、第３、第７及び第１０の窒素酸素分離側開閉弁１４ｃ，１４ｇ，１４ｊを閉塞する。これにより、処理ガス導入配管１０ｇ及び一方の処理ガス導入配管１０ａを通して一方の窒素酸素分離塔９Ａの下部側配管９ｂ側から処理ガスＧ３が加圧された状態のまま導入され、一方の窒素酸素分離塔９Ａ内が２００〜３００ｋＰａＧ程度に昇圧される。

一方の窒素酸素分離塔９Ａに導入された処理ガスＧ３は、一方の窒素酸素分離塔９Ａ内を通過する間に酸素選択型吸蔵剤Ｓ２を所定の温度まで加熱することによって、この処理ガスＧ３中に含まれる酸素（Ｏ_２）が酸素選択型吸蔵剤Ｓ２に吸蔵され、窒素（Ｎ_２）と分離される。処理ガスＧ３から分離された窒素（Ｎ_２）は、一方の窒素酸素分離塔９Ａの上部側配管９ａ側から一方の窒素導出配管１０ｂ及び窒素導出配管１０ｈを通して導出され、高純度の製品窒素ガスＧ５として回収される。

これに対して、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、他方の窒素酸素分離塔９Ｂの酸素回収工程として、減圧ポンプ１３により他方の窒素酸素分離塔９Ｂ内を所定の圧力（本実施形態では１０ｋＰａＡ程度）まで減圧する。これにより、酸素選択型吸蔵剤Ｓ２に吸蔵した酸素（Ｏ_２）が脱離する。

このとき、窒素酸素分離装置３では、第６の窒素酸素分離側開閉弁１４ｆを開放し、第４、第５、第８及び第１１の窒素酸素分離側開閉弁１４ｄ，１４ｅ，１４ｈ，１４ｋを閉塞する。これにより、酸素選択型吸蔵剤Ｓ２から脱離された酸素（Ｏ_２）は、他方の窒素酸素分離塔９Ｂの下部側配管９ｂ側から他方の酸素導出配管１０ｆ及び酸素導出配管１０ｉを通して導出され、高純度の製品酸素ガスＧ６として回収される。また、酸素選択型吸蔵剤Ｓ２を再生することができる。

本実施形態の酸素窒素供給装置１では、一方の窒素酸素分離塔９Ａにおいて、酸素選択型吸蔵剤Ｓ２の酸素（Ｏ_２）を吸蔵する能力が低下したときに、図５に示すように、他方の窒素酸素分離塔９Ｂが窒素回収工程、一方の窒素酸素分離塔９Ａが酸素回収工程を行うように切り替える。そして、他方の窒素酸素分離塔９Ｂが窒素回収工程を行っている間、一方の窒素酸素分離塔９Ａが酸素回収工程を行う。

すなわち、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、他方の窒素酸素分離塔９Ｂの窒素回収工程として、上述した加熱された処理ガスＧ３を他方の窒素酸素分離塔９Ｂに導入し、他方の窒素酸素分離塔９Ｂ内の酸素選択型吸蔵剤Ｓ２を所定の温度（本実施形態では２００〜４００℃程度）まで加熱した状態で、この処理ガスＧ３中に含まれる酸素（Ｏ_２）を酸素選択型吸蔵剤Ｓ２に吸蔵する。

このとき、窒素酸素分離装置３では、第４及び第５の窒素酸素分離側開閉弁１４ｄ，１４ｅを開放し、第６、第８及び第１１の窒素酸素分離側開閉弁１４ｆ，１４ｈ，１４ｋを閉塞する。これにより、処理ガス導入配管１０ｇ及び他方の処理ガス導入配管１０ｄを通して他方の窒素酸素分離塔９Ｂの下部側配管９ｂ側から処理ガスＧ３が加圧された状態のまま導入され、他方の窒素酸素分離塔９Ｂ内が２００〜３００ｋＰａＧ程度に昇圧される。

他方の窒素酸素分離塔９Ｂに導入された処理ガスＧ３は、他方の窒素酸素分離塔９Ｂ内を通過する間に酸素選択型吸蔵剤Ｓ２を上記温度まで加熱することによって、この処理ガスＧ３中に含まれる酸素（Ｏ_２）が酸素選択型吸蔵剤Ｓ２に吸蔵され、窒素（Ｎ_２）と分離される。処理ガスＧ３から分離された窒素（Ｎ_２）は、他方の窒素酸素分離塔９Ｂの上部側配管９ａ側から他方の窒素導出配管１０ｅ及び窒素導出配管１０ｈを通して導出され、高純度の製品窒素ガスＧ５として回収される。

これに対して、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、一方の窒素酸素分離塔９Ａの酸素回収工程として、減圧ポンプ１３により一方の窒素酸素分離塔９Ａ内を（本実施形態では１０ｋＰａＡ程度）減圧する。これにより、酸素選択型吸蔵剤Ｓ２に吸蔵した酸素（Ｏ_２）が脱離する。

このとき、窒素酸素分離装置３では、第３の窒素酸素分離側開閉弁１４ｃを開放し、第１、第２、第７及び第１０の窒素酸素分離側開閉弁１４ａ，１４ｂ，１４ｇ，１４ｊを閉塞する。これにより、酸素選択型吸蔵剤Ｓ２から脱離された酸素（Ｏ_２）は、一方の窒素酸素分離塔９Ａの下部側配管９ｂ側から一方の酸素導出配管１０ｃ及び酸素導出配管１０ｉを通して導出され、高純度の製品酸素ガスＧ６として回収される。また、酸素選択型吸蔵剤Ｓ２を再生することができる。

以上のようにして、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、上述した一方の窒素酸素分離塔９Ａと他方の窒素酸素分離塔９Ｂとの間で、窒素回収工程と酸素回収工程とを交互に切り替えながら、処理ガスＧ３中に含まれる窒素（Ｎ_２）と酸素（Ｏ_２）とを連続的に分離して回収することが可能である。

ここで、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、上述した窒素回収工程の後に、加圧された状態に窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂ内の圧力を開放することで、大気圧まで脱圧する脱圧工程を行う。その後、酸素回収工程へと切り替えることが好ましい。

一方、酸素回収工程から窒素回収工程に切り替える際には、窒素回収工程の前に窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂ内に製品窒素ガスＧ５の一部を導入することで、窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂ内を加圧する充圧工程を行う。その後、窒素回収工程へと切り替えることが好ましい。

具体的に、上述した一方の窒素酸素分離塔９Ａにおいて、窒素回収工程から酸素回収工程へと切り替える際は、図６に示すように、一方の窒素酸素分離塔９Ａの脱圧工程として、一方の窒素酸素分離塔９Ａ内の圧力を開放する。

このとき、窒素酸素分離装置３では、上記図３に示す状態から、第１０の窒素酸素分離側開閉弁１４ｊを開放し、第１及び第２の窒素酸素分離側開閉弁１４ａ，１４ｂを閉塞する。また、他方の窒素酸素分離塔９Ｂの酸素回収工程において、酸素ガスＧ６の回収を継続する。

これにより、一方の窒素酸素分離塔９Ａ内の圧力が開放されて、一方の窒素酸素分離塔９Ａ内の圧力が大気圧（常圧）となる。このとき、第１０の窒素酸素分離側開閉弁１４ｊを開放することによって、排ガス導出配管１２ａを通して一方の窒素酸素分離塔９Ａの下部側配管９ｂ側から排ガスＧ８が導出される。排ガスＧ８は、一方の窒素酸素分離塔９Ａ内に残留している窒素（Ｎ_２）を含む処理ガスＧ３である。

脱圧工程の後は、図６に示す状態から、第７及び第８の窒素酸素分離側開閉弁１４ｇ，１４ｈを開放し、第６及び第１０の窒素酸素分離側開閉弁１４ｆ，１４ｊを閉塞する。これにより、一方の充圧ガス導入配管１１ａ及び他方の充圧ガス導入配管１１ｂを通して他方の窒素酸素分離塔９Ｂの上部側配管９ａ側から一方の窒素酸素分離塔９Ａ内に残留していた排ガスＧ８が導入されて、一方の窒素酸素分離塔９Ａ内の圧力と他方の窒素酸素分離塔９Ｂ内の圧力とが均圧化される。また、一方の窒素酸素分離塔９Ａでは、加圧状態から減圧状態へと移行することによって、内部の酸素濃度が上昇することになる。

一方の窒素酸素分離塔９Ａ内の圧力と他方の窒素酸素分離塔９Ｂ内の圧力とが均圧化された後は、図７に示す状態へと切り替える。これにより、一方の窒素酸素分離塔９Ａでは、酸素回収工程に切り替わり、この酸素回収工程の開始直後から、窒素（Ｎ_２）を含まない高純度の製品酸素ガスＧ６を回収することが可能である。

これに対して、他方の窒素酸素分離塔９Ｂでは、製品窒素ガスＧ５の一部を充圧ガスＧ７として導入することで、窒素酸素分離塔９Ｂ内を加圧する充圧工程を行う。

このとき、窒素酸素分離装置３では、上記図６に示す状態から、第３、第８及び第９の窒素酸素分離側開閉弁１４ｃ，１４ｈ，１４ｉを開放し、第６及び第１０の窒素酸素分離側開閉弁１４ｆ，１４ｊを閉塞する。これにより、他方の窒素酸素分離塔９Ｂ内が２００〜３００ｋＰａＧ近くまで加圧される。

その後、他方の窒素酸素分離塔９Ｂでは、上記図５に示すように、窒素回収工程に切り替える。このとき、他方の窒素酸素分離塔９Ｂは、上述した充圧工程により内部が加圧された状態にあることから、酸素（Ｏ_２）の吸蔵が促進され、窒素回収工程の開始直後から、酸素（Ｏ_２）を含まない高純度の製品窒素ガスＧ５を回収することが可能である。また、一方の窒素酸素分離塔９Ａの酸素回収工程において、酸素ガスＧ６の回収を継続する。

また、他方の窒素酸素分離塔９Ｂでは、窒素回収工程から酸素回収工程へと切り替える際も、上述した一方の窒素酸素分離塔９Ａの脱圧工程と同じ操作で、脱圧工程を行うことが可能である。

同様に、一方の窒素酸素分離塔９Ａでは、酸素回収工程から窒素回収工程へと切り替える際も、上述した他方の窒素酸素分離塔９Ｂの充圧工程と同じ操作で、充圧工程を行うことが可能である。

以上のように、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、上述した前段の二酸化炭素除去装置２において、原料ガスＧ１となる大気中の空気（Ａｉｒ）から二酸化炭素（ＣＯ_２）を除去した後に、熱交換器１０２において、上述したガラス溶融炉１０１から排出される廃熱Ｈとの熱交換によって、処理ガスＧ３を加熱する。そして、上述した後段の窒素酸素分離装置３において、加熱された処理ガスＧ３を窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂに導入し、窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂ内の酸素選択型吸蔵剤Ｓ２を所定の温度（本実施形態では２００〜４００℃程度）まで加熱する。そして、この加熱された酸素選択型吸蔵剤Ｓ２を用いて、処理ガスＧ３から高純度の窒素ガスＧ５と酸素ガスＧ６とを分離して回収することが可能である。すなわち、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、酸素選択型吸蔵剤Ｓ２の性能を低下させることなく、空気中から高純度の窒素及び酸素を効率良く回収することが可能である。

また、本実施形態の酸素窒素供給装置１では、上述した後段の窒素酸素分離装置３において分離回収された窒素ガスＧ５の一部を、前段の二酸化炭素除去装置２において吸着剤Ｓ１を再生する再生ガスＧ２として用いることから、この吸着剤Ｓ１の再生にかかる熱コストを無くすことが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
具体的に、上記酸素窒素供給装置１では、２つの二酸化炭素除去塔４Ａ，４Ｂと２つの窒素酸素分離塔９Ａ，９Ｂを備えた構成となっているが、このような構成に必ずしも限定されるものではない。例えば、窒素及び酸素の回収効率が下がるものの、１つの二酸化炭素除去塔と１つの窒素酸素分離塔とを備えた構成とすることも可能である。

また、窒素及び酸素の回収効率を上げるため、窒素酸素分離塔の数を３つ以上に増やすことも可能である。

この場合、複数の窒素酸素分離塔の間で、窒素回収工程と酸素回収工程とを順次切り替えることで、窒素及び前記酸素の回収を連続的に効率良く行うことが可能である。

また、上記酸素窒素供給装置１では、上述した空気（Ａｉｒ）からの二酸化炭素（ＣＯ_２）の除去を温度スイング法（ＴＳＡ）で行う二酸化炭素除去装置２を用いた場合を例示しているが、それ以外の方法によって空気（Ａｉｒ）中から二酸化炭素（ＣＯ_２）を除去する二酸化炭素除去装置を用いることも可能である。例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）を除去する方法としては、液吸収法、膜分離法、吸着法などを挙げることができる。

また、上記熱回収型酸素窒素供給システム１００では、酸素及び窒素を用いる設備として、上述したガラス溶解炉１０１を例示しているが、それ以外の酸素及び窒素を用いる設備としては、例えば、製鋼設備を挙げることができる。製鋼設備では、例えば、原料の搬送や、溶鉄等の撹拌、冷却などに窒素を使用している。一方、鋼の精錬などに酸素を使用している。さらに、酸素及び窒素を用いる設備としては、例えば、ごみ溶融炉などのごみ溶融設備などを挙げることができる。ごみ溶融炉では、燃焼用に酸素、保安用に窒素が使用されている。

本発明は、このような酸素及び窒素を用いる設備に対して、上記酸素窒素供給装置１を幅広く適用することができ、このような設備から排出される熱を利用して、空気中に含まれる窒素及び酸素の分離回収を行うと共に、分離回収された窒素及び酸素の少なくとも一部を設備に供給することが可能である。

１００…熱回収型酸素窒素供給システム １０１…ガラス溶解炉（設備） １０２…熱交換器 １０３…酸素バーナー １０４…溶解室 １０５…清澄室 １０６…成型室 １…酸素窒素供給装置 ２…二酸化炭素除去装置 ３…窒素酸素分離装置 ４Ａ…一方の二酸化炭素除去塔 ４Ｂ…他方の二酸化炭素除去塔 ５…原料ガス導入部 ５ａ…一方の原料ガス導入配管 ５ｂ…一方の処理ガス導出配管 ５ｃ…他方の原料ガス導入配管 ５ｄ…他方の処理ガス導出配管 ５ｅ…原料ガス導入配管 ５ｆ…処理ガス導出配管 ６…再生ガス導入部 ６ａ…一方の再生ガス導入配管 ６ｂ…一方の排ガス導出配管 ６ｃ…他方の再生ガス導入配管 ６ｄ…他方の排ガス導出配管 ６ｅ…再生ガス導入配管 ６ｆ…排ガス導出配管 ６ｇ…加熱再生ガス導入配管 ６ｈ…冷却再生ガス導入配管 ７…加圧ポンプ ８ａ〜８ｊ…第１〜第１０の二酸化炭素除去側開閉弁 ９Ａ…一方の窒素酸素分離塔 ９Ｂ…他方の窒素酸素分離塔 １０…処理ガス導入部 １０ａ…一方の処理ガス導入配管 １０ｂ…一方の窒素導出配管 １０ｃ…一方の酸素導出配管 １０ｄ…他方の処理ガス導入配管 １０ｅ…他方の窒素導出配管 １０ｆ…他方の酸素導出配管 １０ｇ…処理ガス導入配管 １０ｈ…窒素導出配管 １０ｉ…酸素導出配管 １１…充圧ガス導入部 １１ａ…一方の充圧ガス導入配管 １１ｂ…他方の充圧ガス導入配管 １１ｃ…充圧ガス導入配管 １２…排ガス導出部 １２ａ…一方の排ガス導出配管 １２ｂ…他方の排ガス導出配管 １２ｃ…排ガス導出配管 １３…減圧ポンプ １４ａ〜１４ｋ…第１〜第１１の窒素酸素分離側開閉弁 Ｓ１…吸着剤 Ｓ２…酸素選択型吸蔵剤 Ｇ１…原料ガス（空気） Ｇ２…再生ガス（窒素） Ｇ３…処理ガス（二酸化炭素が除去された原料ガス） Ｇ４…排ガス（二酸化炭素を含む再生ガス） Ｇ５…窒素ガス Ｇ６…酸素ガス Ｇ７…充圧ガス（酸素） Ｇ８…排ガス（窒素を含む処理ガス） Ｈ…廃熱（熱）

Claims (12)

1. 酸素及び窒素を用いる設備と、
   前記設備に酸素及び窒素を供給する酸素窒素供給装置とを備え、
   前記酸素窒素供給装置は、前記設備から排出される熱を利用して、所定の温度に加熱された酸素選択型吸蔵剤に空気中に含まれる酸素を吸蔵することによって、前記空気から分離回収された窒素の少なくとも一部を前記設備に供給し、前記酸素選択型吸蔵剤に吸蔵した酸素を脱離することによって、前記空気から分離回収された酸素の少なくとも一部を前記設備に供給することを特徴とする熱回収型酸素窒素供給システム。
2. 前記酸素窒素供給装置は、前記酸素選択型吸蔵剤を用いて前記空気中に含まれる窒素及び酸素の分離回収を行う窒素酸素分離装置を有し、
   前記所定の温度に加熱された前記酸素選択型吸蔵剤に前記空気中に含まれる酸素を吸蔵することによって、前記空気から分離回収された窒素の少なくとも一部を前記設備に供給し、前記酸素選択型吸蔵剤に吸蔵した酸素を脱離することによって、前記空気から分離回収された酸素の少なくとも一部を前記設備に供給することを特徴とする請求項１に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
3. 前記窒素酸素分離装置は、前記酸素選択型吸蔵剤が充填された窒素酸素分離塔と、前記窒素酸素分離塔内を減圧する減圧ポンプとを有し、
   加熱された空気を加圧した状態で前記窒素酸素分離塔に導入し、前記空気により加熱された前記酸素選択型吸蔵剤に当該空気中に含まれる酸素を吸蔵することによって、前記窒素酸素分離塔から導出される窒素を回収する一方、
   前記減圧ポンプにより前記窒素酸素分離塔内を減圧し、前記酸素選択型吸蔵剤に吸蔵した酸素を脱離することによって、前記窒素酸素分離塔から導出される酸素を回収することを特徴とする請求項２に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
4. 前記窒素酸素分離装置は、複数の前記窒素酸素分離塔を有して、これら複数の前記窒素酸素分離塔の間で、前記窒素の回収と前記酸素の回収とを順次切り替えながら、前記窒素及び前記酸素の回収を連続して行うことを特徴とする請求項３に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
5. 前記酸素窒素供給装置は、前記設備から排出される熱との熱交換により空気を加熱する熱交換器を有し、
   前記加熱された空気によって前記酸素選択型吸蔵剤を前記所定の温度まで加熱することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
6. 前記酸素窒素供給装置は、空気中に含まれる二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置を有し、
   前記二酸化炭素除去装置により二酸化炭素が除去された空気から前記酸素選択型吸蔵剤を用いて窒素及び酸素の分離回収を行うことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
7. 前記二酸化炭素除去装置は、二酸化炭素を吸着及び脱離する吸着剤が充填された二酸化炭素除去塔と、前記二酸化炭素除去塔に導入される空気を加圧する加圧ポンプとを有し、
   前記加圧ポンプにより室温の空気を加圧した状態で前記二酸化炭素除去塔に導入し、この空気中に含まれる二酸化炭素を前記吸着剤に吸着して除去することを特徴とする請求項６に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
8. 前記二酸化炭素除去装置は、前記二酸化炭素を除去した後に、前記窒素酸素分離装置において加熱された状態で回収された窒素の一部を、温度を保持したまま再生ガスとして前記二酸化炭素除去塔に導入し、前記吸着剤に吸着した二酸化炭素を脱離することによって、前記吸着剤を再生することを特徴とする請求項７に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
9. 前記二酸化炭素除去装置は、一対の前記二酸化炭素除去塔を有して、一方の二酸化炭素除去塔と他方の二酸化炭素除去塔との間で、前記二酸化炭素の除去と前記吸着剤の再生とを交互に切り替えて行うことを特徴とする請求項８に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
10. 前記吸着剤は、ゼオライト又は活性アルミナ若しくはゼオライトと活性アルミナとを積層したものであることを特徴とする請求項７〜９の何れか一項に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
11. 前記酸素選択型吸蔵剤は、酸素不定比性を有し、且つ、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。
12. 前記設備は、ガラス製造設備と、製鋼設備と、ごみ溶融設備との何れかであることを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載の熱回収型酸素窒素供給システム。

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