JP2020050574A - 一酸化炭素ガスの分離装置および一酸化炭素ガスの分離方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本開示に係る一酸化炭素ガスを分離するための装置構成の一例を示す概略図である。一酸化炭素ガスの分離装置100は、第1分離装置50と、第2分離装置70と、リサイクルガス導出配管61と、加圧手段60と、リサイクルガス導入配管62と、一酸化炭素ガス導出配管64とを含む。
本明細書において「原料ガス」とは、少なくとも一酸化炭素ガス、炭酸ガス、窒素ガス、および水分を含むガスを示す。図1を参照して、原料ガスは原料ガス導入配管40を介して第1分離装置50へと導入される。原料ガスは、少なくとも一酸化炭素ガス、炭酸ガス、窒素ガス、および水分を含むガスであれば特に限定されない。原料ガスは、一酸化炭素ガス、炭酸ガス、窒素ガス、および水分を含む限り、たとえば水素ガス等の他のガスを含んでもよい。たとえば、高炉ガスを原料ガスとして用いてもよい。原料ガスは、図示しない加圧手段により加圧されてもよい。
第1分離装置50は、原料ガス中の少なくとも炭酸ガスおよび水分を吸着除去し、第1精製ガスを得るための装置である。すなわち、本開示に係る一酸化炭素ガスの分離装置100は、原料ガス中の少なくとも炭酸ガスおよび水分を吸着除去し、第1精製ガスを得るための第1分離装置50を含んでいる。第1分離装置50は、原料ガス中の少なくとも炭酸ガスおよび水分を吸着除去できる限り特に制限されない。第1分離装置50は、たとえば圧力スイング吸着装置(PSA)であってもよい。以降は、第1分離装置50がPSAである場合についての説明を行う。
吸着工程とは、吸着剤が充填されたPSA50aに原料ガスを導入し、原料ガス中の少なくとも炭酸ガスおよび水分を吸着除去し、第1精製ガスを得る工程である。すなわち第1分離装置50における吸着工程は、第1分離工程に該当する。第1精製ガスは、第1精製ガス導出配管42を介してPSA50aから導出される。吸着工程は、たとえば0.2MPaG以上0.9MPaG以下で行ってもよい。所定量の炭酸ガスおよび水分がPSA50aに導入されるまでを、吸着工程としてもよい。
大気排気工程は、上記吸着工程を経た状態であるPSA50bからガスを排出することにより、PSA50bの圧力を略大気圧まで減圧する工程である。たとえばPSA50bの圧力が略大気圧となるまでを大気排気工程としてもよい。
回収工程は、上記大気排気工程を経た状態であるPSA50cをたとえば第1真空ポンプ41により負圧まで減圧し、吸着剤に吸着させた炭酸ガスおよび水分等を脱着することによりオフガスとして回収する工程である。回収工程は、たとえば−0.1MPaG以上−0.01PaG以下で行われてもよい。回収されたオフガスは、たとえばフレアスタックに導入されてもよい。PSA50cから導出されるオフガスの流量(Nm3/h)が所定の値になるまでを回収工程としてもよい。
復圧工程は、上記回収工程を経た状態であるPSA50dに有圧のガスを導入し、次に行われる工程である吸着工程を行うための圧力まで復圧させる工程である。有圧のガスとしては、たとえば吸着工程PSA50aから導出された第1精製ガスの一部を用いてもよい。たとえばPSA50dの圧力が吸着工程における運転圧力に達するまでを復圧工程としてもよい。
第2分離装置70は、少なくとも上述の第1精製ガスを含むガスである第1混合ガス中の少なくとも一酸化炭素ガスを吸着する装置である。すなわち、本開示に係る一酸化炭素ガスの分離装置100は、少なくとも第1精製ガスを含むガスである第1混合ガス中の少なくとも一酸化炭素ガスを吸着する第2分離装置70を含んでいる。第2分離装置70は第1混合ガス中の少なくとも一酸化炭素ガスを吸着できる限り特に制限されない。第2分離装置70は、たとえば圧力スイング吸着装置(PSA)であってもよい。以降は、第2分離装置70がPSAである場合についての説明を行う。
吸着工程とは、吸着剤が充填されたPSA70aに第1精製ガスを含むガスである第1混合ガスを導入し、第1混合ガス中の少なくとも一酸化炭素ガスを吸着する工程である。すなわち、第2分離装置70における吸着工程は、第2分離工程に該当する。吸着工程は、たとえば0.18MPaG以上0.88MPaG以下で行ってもよい。所定量の一酸化炭素ガスがPSA70aに導入されるまでを、吸着工程としてもよい。少なくとも一酸化炭素ガスが吸着された第1混合ガスは、オフガス導出配管63を介して分離装置100の系外にオフガスとして排出される。
大気排気工程は、上記吸着工程を経た状態であるPSA70bからガスを排出することにより、PSA70bの圧力を略大気圧まで減圧する工程である。たとえばPSA70bの圧力が略大気圧となるまでを大気排気工程としてもよい。なお、PSA70bから排出されるガスは一酸化炭素ガスを含むガスであり、好ましくは一酸化炭素を主体とするガスである。なお、「一酸化炭素ガスを主体とするガス」とは、ガスに占める一酸化炭素ガスの割合が50mol%以上であるガスを示す。そのため、係るガスを回収し、再度第2分離装置70に導入することにより、一酸化炭素ガスの回収率が向上するものと期待される。
回収工程は、上記大気排気工程を経た状態であるPSA70cをたとえば第2真空ポンプ65により負圧まで減圧し、吸着剤に吸着させた一酸化炭素ガスを脱着させ、一酸化炭素ガスを一酸化炭素ガス導出配管64を介して回収する工程である。すなわち、第2分離装置70における回収工程は、一酸化炭素ガス導出工程に該当する。回収工程は、たとえば−0.1MPaG以上−0.01PaG以下で行われてもよい。回収された一酸化炭素ガスは、たとえば図示しない加圧手段により加圧された後、図示しない一酸化炭素ガスホルダーに貯蔵されてもよい。たとえば、PSA70cからの一酸化炭素ガスの流量(Nm3/h)が所定の値になるまでを回収工程としてもよい。
復圧工程は、上記回収工程を経た状態であるPSA70dに有圧のガスを導入し、次に行われる工程である吸着工程を行うための圧力まで復圧させる工程である。有圧のガスとしては、たとえば吸着工程PSA70aから導出されたオフガスの一部を用いてもよいし、図示しない一酸化炭素ガスホルダーに貯蔵されている有圧の一酸化炭素ガスを用いてもよい。たとえばPSA70dの圧力が吸着工程における運転圧力に達するまでを復圧工程としてもよい。
本工程は、必要に応じて大気排気工程と回収工程との間に行われる工程である。本工程は、上記大気排気工程の後、PSA70b内に一酸化炭素ガスを一酸化炭素ガスパージ配管66を介して導入することにより、PSA70b内の一酸化炭素ガス濃度を上昇させる工程である。本工程により、回収工程の前にPSA70b内の一酸化炭素ガス濃度を向上させることができる。これにより、PSA70bが回収工程に移行した際、高純度の一酸化炭素ガスがPSA70bより回収されるものと考えられる。
上述の第2分離装置70の大気排気工程においてPSA70bから排出されるガスは、一酸化炭素ガスを含むガスであり、好ましくは一酸化炭素を主体とするガスである。本開示に係る一酸化炭素ガスの分離装置100は、係るガスをリサイクルガスとしてPSA70bから導出し、再利用するためのリサイクルガス導出配管61を含む。すなわち本開示に係る一酸化炭素ガスの分離装置100は、一酸化炭素ガスを含むガスであるリサイクルガスを第2分離装置70から導出するリサイクルガス導出配管61を含む。PSA50b(すなわち、第2分離装置50)から排出される一酸化炭素ガスを含むガスをリサイクルガスとして再利用することにより、一酸化炭素ガスの回収率が向上するものと期待される。
上述のリサイクルガス導出工程においてPSA70bから導出されるリサイクルガスは、第2分離装置70に導入される第1混合ガスと比して低圧である。そのため、リサイクルガスを再度第2分離装置70に導入するため、リサイクルガス導出工程にて導出されたリサイクルガスを加圧し、加圧されたリサイクルガスを得るための加圧手段60を備える。すなわち本開示に係る一酸化炭素ガスの分離装置100は、リサイクルガス導出配管61を介して導出されたリサイクルガスを加圧し、加圧されたリサイクルガスを得るための加圧手段60を含む。
加圧手段60により加圧されたリサイクルガスは、第2分離装置70の上流にリサイクルガス導入配管62を介して導入される。第2分離装置70の上流に導入されたリサイクルガスは、第1分離装置50から第1精製ガス導出配管42を介して導出された第1精製ガスと合流し、第1混合ガスとなる。すなわち本開示に係る一酸化炭素ガスの分離装置100は、加圧されたリサイクルガスを第2分離装置70の上流に導入し、加圧されたリサイクルガスを第1精製ガスに合流させて第1混合ガスを得るためのリサイクルガス導入配管62を含む。
上述の第2分離装置70の回収工程において、PSA70cから排出される一酸化炭素ガスは、一酸化炭素ガス導出配管64を介して排出される。すなわち本開示に係る一酸化炭素ガスの分離装置100は、第2分離装置70に吸着された一酸化炭素ガスを導出するための一酸化炭素ガス導出配管64を含む。
本開示に係る一酸化炭素ガスの分離方法は、以下の工程を含む。
(1)原料ガス中の少なくとも炭酸ガスおよび水分を吸着除去し、第1精製ガスを得る第1分離工程。
(2)第1混合ガス中の少なくとも一酸化炭素ガスを吸着する第2分離工程。
(3)リサイクルガスを第2分離装置から導出するリサイクルガス導出工程。
(4)リサイクルガス導出工程にて導出されたリサイクルガスを加圧し、加圧されたリサイクルガスを得る加圧工程。
(5)加圧されたリサイクルガスを第2分離装置の上流に導入し、加圧されたリサイクルガスを第1精製ガスに合流させて第1混合ガスを得るリサイクルガス導入工程。
(6)第2分離装置に吸着された一酸化炭素ガスを導出する一酸化炭素ガス導出工程。
以下、図1を参照して、一酸化炭素ガスの分離方法の各工程について詳細に説明する。
本工程は、原料ガス中の少なくとも炭酸ガスおよび水分を吸着除去し、第1精製ガスを得る工程である。上述の通り、第1分離工程を行うための第1分離装置50は、4つの吸着塔を含むPSAから構成され得る。第1分離装置50が4つの吸着塔を含むPSAから構成される場合における各吸着塔の挙動、および吸着塔に含まれ得る吸着剤は、前述の通りである。
本工程は、少なくとも第1精製ガスを含むガスである第1混合ガス中の少なくとも一酸化炭素ガスを吸着する工程である。上述の通り、第2分離工程を行うための第2分離装置70は、4つの吸着塔を含むPSAから構成され得る。第2分離装置70が4つの吸着塔を含むPSAから構成される場合における各吸着塔の挙動、および吸着塔に含まれ得る吸着剤は、前述の通りである。
本工程は、一酸化炭素ガスを含むガスであるリサイクルガスを第2分離装置70からリサイクルガス導出配管61を介して導出する工程である。本工程におけるリサイクルガスは、PSAの大気排気工程およびパージ工程において排出されるガスである。PSAがパージ工程を含む場合、PSAのパージに用いられた一酸化炭素ガスもリサイクルガスとして用いられる。PSAの大気排気工程において排出されるガスは、上述の通り一酸化炭素ガスを含むガスであり、好ましくは一酸化炭素を主体とするガスである。そのため、係るガスを回収し、再度第2分離装置70に導入することにより、一酸化炭素ガスの回収率が向上するものと期待される。
本工程は、リサイクルガス導出工程にて導出されたリサイクルガスを加圧手段60にて加圧し、加圧されたリサイクルガスを得る工程である。上述のリサイクルガス導出工程において第2分離装置70から導出されるリサイクルガスは、第2分離装置70に導入される第1混合ガスと比して低圧である。そのため、リサイクルガスを再度第2分離装置70に導入するため、リサイクルガス導出工程にて導出されたリサイクルガスを加圧し、加圧されたリサイクルガスとする必要がある。
本工程は、加圧されたリサイクルガスを第2分離装置70の上流に導入し、加圧されたリサイクルガスを第1精製ガスに合流させて第1混合ガスを得る工程である。図1に示す例においては、加圧されたリサイクルガスおよび第1精製ガスは第2分離装置70の上流に配置された混合ガスホルダー80に導入される。混合ガスホルダー80内において、加圧されたリサイクルガスと第1精製ガスとが混合され、第1混合ガスが形成される。なお、図1には混合ガスホルダー80が設けられる例が示されているが、混合ガスホルダー80は必ずしも設けられる必要は無い。
本工程は、第2分離装置70から一酸化炭素ガスを導出する工程である。本工程は、たとえば回収工程にあるPSAから一酸化炭素ガス導出配管64を介して一酸化炭素ガスを導出することにより行うことができる。以上のように、本開示に係る一酸化炭素ガスの分離方法は、少なくとも一酸化炭素ガス、炭酸ガス、窒素ガス、および水分を含む原料ガスから一酸化炭素ガスを分離することができる。
《実施例1》
図1に記載の構成を有する装置が準備された。高炉から導出される排ガスである原料ガスが準備された。上述の一酸化炭素ガスの分離方法に従い、原料ガスより一酸化炭素ガスが分離された。図1における、ポイントA〜ポイントCにおける組成等は、以下の表1に示されている。なお、第1分離装置50に用いられた吸着剤は、ゼオライトおよび活性アルミナであり、第2分離装置70に用いられた吸着剤は、塩化銅を担持した活性炭である。また、各ポイントにおける成分の分析はガスクロマトグラフィーにより行われた。
加圧手段60を設置しなかったこと、および加圧手段60にリサイクルガスを導入しなかったことを除いては、実施例1と同様に一酸化炭素ガスが分離された。図1における、ポイントA〜ポイントCにおける組成等は、以下の表2に示されている。
表1に示されるように、実施例1に係る一酸化炭素ガスの分離装置100を用いることにより、純度99.1Vol%の一酸化炭素ガスを2.73NL/minの流量で得ることができた。また、第2分離装置70に導入される第1混合ガスにおける水分の量は、0.001Vol%(10ppm)であった。そのため、塩化銅と水分とが反応し、塩化水素が発生する可能性が抑制されていた。すなわち、一酸化炭素ガスの回収率の向上と塩化水素の発生の抑制とが両立された、原料ガスからの一酸化炭素ガスの分離装置および分離方法が提供されることが示された。
Claims (6)
- 少なくとも一酸化炭素ガス、炭酸ガス、窒素ガス、および水分を含む原料ガスから一酸化炭素ガスを分離する一酸化炭素ガスの分離装置であって、
前記原料ガス中の少なくとも炭酸ガスおよび水分を吸着除去し、第1精製ガスを得るための第1分離装置と、
少なくとも前記第1精製ガスを含むガスである第1混合ガス中の少なくとも一酸化炭素ガスを吸着する第2分離装置と、
一酸化炭素ガスを含むガスであるリサイクルガスを前記第2分離装置から導出するリサイクルガス導出配管と、
前記リサイクルガス導出配管を介して導出された前記リサイクルガスを加圧し、加圧された前記リサイクルガスを得るための加圧手段と、
加圧された前記リサイクルガスを前記第2分離装置の上流に導入し、加圧された前記リサイクルガスを前記第1精製ガスに合流させて前記第1混合ガスを得るためのリサイクルガス導入配管と、
前記第2分離装置に吸着された一酸化炭素ガスを導出するための一酸化炭素ガス導出配管と、を備える一酸化炭素ガスの分離装置。 - 前記第1分離装置および前記第2分離装置は、圧力スイング吸着装置(PSA)を備える、請求項1に記載の一酸化炭素ガスの分離装置。
- 前記第1分離装置は、炭酸ガスおよび水分を吸着除去するための吸着剤としてゼオライト、活性アルミナ、および活性炭からなる群から選択される少なくとも1つを含む、請求項1または請求項2に記載の一酸化炭素ガスの分離装置。
- 前記第2分離装置は、一酸化炭素ガスを吸着するための吸着剤として塩化銅を担持したゼオライト、塩化銅を担持した活性アルミナ、および塩化銅を担持した活性炭らなる群から選択される少なくとも1つを含む、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の一酸化炭素ガスの分離装置。
- 前記原料ガスが、高炉から導出される排ガスである、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の一酸化炭素ガスの分離装置。
- 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の一酸化炭素ガスの分離装置を用いた一酸化炭素ガスの分離方法であって、
前記原料ガス中の少なくとも炭酸ガスおよび水分を吸着除去し、第1精製ガスを得る第1分離工程と、
少なくとも前記第1精製ガスを含むガスである第1混合ガス中の少なくとも一酸化炭素を吸着する第2分離工程と、
一酸化炭素ガスを含むガスであるリサイクルガスを前記第2分離装置から導出するリサイクルガス導出工程と、
前記リサイクルガス導出工程にて導出された前記リサイクルガスを加圧し、加圧された前記リサイクルガスを得るための加圧工程と、
加圧された前記リサイクルガスを前記第2分離装置の上流に導入し、加圧された前記リサイクルガスを前記第1精製ガスに合流させて前記第1混合ガスを得るリサイクルガス導入工程と、
前記第2分離装置に吸着された一酸化炭素ガスを導出する一酸化炭素ガス導出工程と、を備える一酸化炭素ガスの分離方法。
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