JP4276759B2

JP4276759B2 - オゾン発生設備の運転方法

Info

Publication number: JP4276759B2
Application number: JP36099199A
Authority: JP
Inventors: 寛折島; 辰男菊池; 昌也吉村
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2019-12-20
Also published as: JP2001180915A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力変動吸着法（以下、ＰＳＡ法という）による酸素発生装置で発生させた酸素ガスを原料ガスとして放電式のオゾン発生装置に送給してオゾンガスを発生させるオゾン発生設備の運転方法に関する。
【０００２】
水処理を始めとする各種の酸化化学処理にオゾンが使用されている。このオゾンは工業的には放電式のオゾン発生装置で発生させたものが使用されている。放電式のオゾン発生装置では、原料ガスとして空気又は酸素ガスが使用されるが、処理効率に優れる高濃度のオゾンガスが必要な場合は酸素ガスが使用され、その酸素ガスの供給源としては、我が国ではＰＳＡ法による酸素発生装置が多用されている。これは、今一つの供給源である液体酸素の価格が諸外国に比べて高いこと、地方では液体酸素の供給拠点が少ないこと、酸素発生装置が比較的安価なことなどが理由とされている。
【０００３】
ＰＳＡ法による酸素発生装置は、合成ゼオライトの酸素と窒素に対する吸着特性の差を利用して空気から酸素ガスを製造するものである。即ち、窒素の吸着量が多いことから、加圧により窒素を吸着させる工程と、減圧・酸素パージにより窒素を離脱させる工程とを繰り返す操作により、空気から酸素ガスを製造する。連続的な製造を行うために、複数の吸着塔が切り換え使用される。製造される酸素ガスの濃度は９６％以下である。
【０００４】
ＰＳＡ法による酸素発生装置に固有の特性の一つとして、製造される酸素ガスの濃度が流量の影響を受けることがある。ＰＳＡ法による酸素発生装置での酸素流量と酸素濃度の関係を図１（ａ）に示すが、流量の小さい領域で最大の酸素濃度（約９５％）が安定的に得られる。流量を増大していくと、或る点を境にして酸素濃度が低下し始め、以後、流量が大きくなるほど酸素濃度が低下する。
【０００５】
オゾン発生装置に供給される酸素ガスの濃度は高いにこしたことはないが、そのガス流量の低下は生産性に重大な影響を与える。一方、後で詳しく説明するが、従来のオゾン発生装置では、９５％を超えるような高い酸素濃度は必ずしも必要ではなく、酸素濃度が９０％程度でも問題のない運転が行われる。これらのため、オゾン発生装置に組み合わされる酸素発生装置は、これまでは９０〜９３％程度の酸素濃度が得られる比較的大流量の領域で運転されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、放電式のオゾン発生装置で発生されるオゾンガスのオゾン濃度は、これまでは１５０ｇ／Ｎｍ³未満で、１２０ｇ／Ｎｍ³程度が最高であったが、最近になって本出願人は、オゾン発生装置の放電セル等に様々な改良を加えることにより、１５０ｇ／Ｎｍ³以上の高濃度オゾンガス、更には２００ｇ／Ｎｍ³以上の超高濃度のオゾンガスをも安定的に発生させることが可能な高性能オゾン発生装置の開発に成功した（特願平１０−３４６０４９号）。
【０００７】
１５０ｇ／Ｎｍ³以上の高濃度オゾンガス、とりわけ２００ｇ／Ｎｍ³以上の超高濃度オゾンガスは、例えば水処理に適用して処理効率を飛躍的に向上させ、水処理以外にも有望な用途は数多く考えられる。ところが、その適用にあたって、この高性能オゾン発生装置をＰＳＡ法による酸素発生装置と組み合わせ、運転試験を行ったところ、安定な性能が得られないことが判明した。
【０００８】
本発明の目的は、ＰＳＡ法による酸素発生装置で発生させた酸素ガスを放電式のオゾン発生装置に送給してオゾンガスを発生させる場合の、オゾン濃度の不安定を解消できるオゾン発生設備の運転方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは高性能オゾン発生装置をＰＳＡ法による酸素発生装置と組み合わせて運転したときの性能低下について調査した。その結果、以下の事実が判明した。
【００１０】
ＰＳＡ法による酸素発生装置で９０％の酸素ガスを発生させた場合、酸素以外の成分は約６％のＮ₂ガスと約４％のＡｒからなる。また、最大濃度である９６％の酸素ガスを発生させた場合の酸素以外の成分は実質的に約４％のＡｒのみとなる。つまり、ＰＳＡ法による酸素発生装置で発生させる酸素ガス中のＮ₂濃度は、酸素濃度によって変化し、酸素濃度の低下に伴って上昇する。従来は、９０〜９３％という比較的低い酸素濃度で運転されていたため、６％近い量のＮ₂ガスが含まれていた。
【００１１】
一方、放電式のオゾン発生装置で発生させるオゾンガスのオゾン濃度は、高濃度領域では、原料ガスである酸素ガス中のＮ₂濃度の影響を受ける。オゾン発生装置での発生オゾン濃度（安定濃度）と原料ガス中のＮ₂濃度の関係を図１（ｂ）に示す。
【００１２】
同図から分かるように、１００ｇ／Ｎｍ³程度のオゾンガスを発生させる従来のオゾン発生装置の場合は、酸素ガス中にＮ₂が含まれることにより、酸素濃度が顕著に向上し、酸素ガス中のＮ₂濃度が０又は０に近い極低濃度でなければ、Ｎ₂濃度に関係なくほぼ最大のオゾン濃度が得られ、この安定な関係はＮ₂濃度が約１０％まで維持される。このため、従来のオゾン発生装置の場合は、酸素発生装置を９０〜９３％の酸素濃度で運転しても何ら問題はなかった。むしろ、この運転によって酸素ガス中に６％近い量のＮ₂が含有されることにより、オゾン濃度が効果的に向上するのである。
【００１３】
ところが、１５０ｇ／Ｎｍ³程度の高濃度オゾンガスを発生させる高性能オゾン発生装置の場合は、そのオゾン濃度はＮ₂濃度が約１〜３％でピークを生じ、以後Ｎ₂濃度が増大するに連れて低下する。つまり、酸素ガス中のＮ₂はオゾンの発生促進に依然有効ではあるが、その促進効果はＮ₂濃度に敏感に反応し、約１〜３％をピークとする狭い濃度範囲でしか得られない。２００ｇ／Ｎｍ³以上の超高濃度オゾンガスを発生させる高性能オゾン発生装置の場合は、この傾向が更に顕著となる。このため、酸素発生装置を従来と同じ９０〜９３％の酸素濃度で運転した場合は、酸素ガス中に６％近い多量のＮ₂ガスが含まれることにより、オゾン発生装置ではオゾン濃度が低下し、Ｎ₂濃度の高い領域で特に顕著な低下が生じる。
【００１４】
これが、高性能オゾン発生装置をＰＳＡ法による酸素発生装置と組み合わせて運転したときに安定な性能が得られないことの理由であり、所定の高性能を安定に得るためには、原料ガスである酸素ガス中のＮ₂濃度をオゾン発生装置の性能に応じた適正濃度に厳密に管理することが必要となる。
【００１５】
しかし、高性能オゾン発生装置の場合、Ｎ₂ガスの適正濃度が非常に狭い低濃度領域に限定される。このため、酸素発生装置での酸素濃度管理だけでは、そのＮ₂濃度を高性能オゾン発生装置の性能に応じた適正濃度に管理することは困難である。酸素ガス中のＮ₂濃度を高性能オゾン発生装置の性能に応じた適正濃度に厳密に管理するためには、酸素発生装置を９５％以上の酸素濃度で運転して、酸素ガス中からＮ₂ガスを実質に排除し、その上で、その酸素ガスに、厳密に濃度制御されたＮ₂ガスを別途添加して高性能オゾン発生装置に供給することが有効である。
【００１６】
通常濃度のオゾンガスを発生する従来のオゾン発生装置を使用する場合にあっても、下流側での負荷変動等により酸素発生装置でのガス流量が一時的に低下し、酸素ガス中の酸素濃度が９５％を超えることにより、そのガス中のＮ₂濃度が０又はその近くまで激減することがある。そうなると、従来のオゾン発生装置といえどもオゾン濃度が大きく低下する。酸素発生装置で発生させた酸素ガスに別途Ｎ₂ガスを添加してオゾン発生装置に供給する方法は、このようなオゾン濃度の不安定を解消するにも有効である。
【００１７】
本発明のオゾン発生設備の運転方法は、かかる知見に基づいて開発されたものであり、ＰＳＡ法により空気から窒素を吸着分離して酸素を濃縮する酸素発生装置と、該酸素発生装置にて発生させた酸素ガスを原料ガスとしてオゾンガスを発生させる放電式のオゾン発生装置とを備えたオゾン発生設備において、酸素発生装置からオゾン発生装置に送給される酸素ガスにオゾン発生促進効果のある促進ガスとしてＮ ₂ ガスを添加するガス添加装置を設け、オゾン発生装置で発生させるオゾンガスのオゾン濃度が１５０ｇ／Ｎｍ ³ 以上である場合に、酸素発生装置では９５％以上の酸素ガスを発生させ、ガス添加装置では定常的に促進ガスを添加することにより、オゾン発生装置に供給される酸素ガス中の促進ガス濃度を０．５〜５％に調整し、もって酸素供給源としてＰＳＡ法による酸素発生装置を使用するにもかかわらず、オゾン発生装置で発生させるオゾンガスのオゾン濃度を安定化させるものである。
【００１８】
（削除）
【００１９】
（削除）
【００２０】
オゾン発生促進効果のある促進ガスは、酸素発生装置で発生させた酸素ガス中ではＮ₂ガスとなるが、その酸素ガスに添加する促進ガスとしてはＮ₂ガスに限らず、乾燥空気、ＣＯ₂ガス等の使用も可能であり、これらの混合使用も可能である。これらの添加ガスのなかではＮ₂ガスが、オゾン発生促進効果が最も高いことから特に好ましく、本発明ではこのＮ ₂ ガスを採用する。
【００２１】
オゾン発生装置で発生させるオゾンガスのオゾン濃度に応じた適正な促進ガス濃度は、具体的には、オゾンガスのオゾン濃度が１５０ｇ／Ｎｍ³未満の通常濃度の場合で０．１〜１０％であり、特に好ましくは０．５〜８％である。また、オゾンガスのオゾン濃度が１５０ｇ／Ｎｍ³以上の高濃度の場合で０．５〜５％であり、特に好ましくは１〜３％である。
【００２２】
（削除）
【００２３】
（削除）
【００２４】
本発明のオゾン発生設備の運転方法は、高濃度乃至超高濃度のオゾンガスを発生させる高性能オゾン発生装置の運転に特に有効であるが、そのオゾン発生設備は、通常濃度のオゾンガスを発生させるオゾン発生装置の運転にも適用可能である。
【００２５】
具体的には、オゾン発生装置で発生させるオゾンガスのオゾン濃度が１５０ｇ／Ｎｍ³未満の通常濃度である場合は、酸素発生装置では８８％以上の酸素ガスを発生させることにより、酸素ガス中の促進ガス濃度を適正濃度に管理し、ガス添加装置では促進ガス中の促進ガス濃度が適正濃度より低下したときに限定的に促進ガスを添加することにより、オゾン発生装置に供給される酸素ガス中の促進ガス濃度を適正濃度である０．１％以上に定常的に管理する。
【００２６】
いずれの運転方法も、酸素発生装置でのガス流量を最大限に確保しつつ、オゾン発生装置に供給される酸素ガス中の促進ガス濃度を適正濃度に正確に管理することにより、オゾン濃度の安定化を図る。
【００２７】
酸素ガス中の促進ガスがオゾン濃度の増大に有効なのは、促進ガスの放電光により放電形態がオゾン発生に好ましい微小放電になるためと言われている。また、過剰な促進ガスがオゾン濃度の増大に逆効果となるのは、オゾンガスの原料となる酸素自体の濃度低下によりオゾン濃度低下を引き起こしたり、或いは放電により生成されたＮＯｘによりオゾンの分解が促進されるからである。
【００２８】
そして、促進ガスの適正濃度が高性能オゾン発生装置で狭い範囲となるのは、促進ガス量が少ないとオゾン発生の低下を引き起し、また促進ガスが多すぎると酸素の濃度低下以上にオゾン濃度低下を引き起こしたり、或いは放電により生成されたＮＯｘの増大によりオゾンの分解が急速に促進するからである。特にオゾン濃度が高くなるほど低下が著しくなる傾向があり、促進ガスの適正濃度がより狭くなる。
【００２９】
なお、ＰＳＡ法による酸素発生装置は、狭い意味では主に加圧と常圧の間でスイング操作を行うものであるが、常圧と減圧の間でスイング操作を行うＶＳＡ法も広い意味では圧力変動吸着法であり、本発明でのＰＳＡ法はＶＳＡ法を含むものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図２は本発明の好ましい実施形態を示すオゾン発生設備のガス系統図である。
【００３１】
本実施形態では、ＰＳＡ法による酸素発生装置１で発生させた酸素ガスがガス配管２を通して放電式のオゾン発生装置３に送給される。
【００３２】
オゾン発生装置３は、オゾン濃度が２００ｇ／Ｎｍ³以上の超高濃度オゾンガスを発生させることが可能な板型の高性能オゾナイザーである。この超高濃度オゾンガスを発生させるために、オゾン発生装置３では、放電セル内の放電ギャップを０．１３ｍｍ程度に縮小するなどの工夫が講じられている。
【００３３】
一方、酸素発生装置１では、従来よりガス流量を若干低下させることにより、９５％以上の高濃度の酸素ガスを発生させる。ここにおけるガス絞り量は、９５％以上の高濃度の酸素ガスが得られる範囲内で出来るだけ少なくするのが酸素製造コスト低減の点から好ましい。
【００３４】
この酸素ガス中の酸素以外のガス成分は実質的にＡｒのみであり、Ｎ₂は殆ど含まれない。そして、この酸素ガスは、ガス配管２の途中に接続されたガス添加装置４で促進ガスとしてのＮ₂ガスを添加されて、オゾン発生装置３に原料ガスとして供給される。
【００３５】
ガス添加装置４は、Ｎ₂ガスタンク４ａ及び流量制御弁４ｂなどからなり、酸素ガスへのＮ₂ガスの添加量は、酸素ガス中に微量のＮ₂ガスが含まれることを考慮して、適正濃度より若干少なめの例えば０．３〜４．８％とされる。これにより、オゾン発生装置３に供給される酸素ガス中のＮ₂濃度は、適正濃度である０．５〜５％に調整される。
【００３６】
このような運転を行うことにより、酸素供給源としてＰＳＡ方式の酸素発生装置１を使用するにもかかわらず、２００ｇ／Ｎｍ³以上の超高濃度オゾンガスが安定して得られる。ちなみに、従来の運転法、即ち、酸素発生装置１で９０〜９３％の酸素ガスを発生させてオゾン発生装置３に直接供給した場合は、酸素ガス中に過剰に含まれるＮ₂ガスによりオゾンガスの濃度が低下が生じる。
【００３７】
オゾン発生装置３として、オゾン濃度が１５０ｇ／Ｎｍ³未満のオゾンガスを発生させることが可能な板型のオゾナイザーを使用する場合は、酸素発生装置１で８８％以上、例えば９０〜９３％の酸素ガスを発生させる。これにより、酸素ガス中のＮ₂濃度は適正濃度範囲内である６％近くになる。従って、通常時はガス添加装置４でＮ₂ガスを添加する必要はない。
【００３８】
しかし、下流側の負荷変動等により酸素発生装置１でのガス流量が一時的に低下し、酸素ガス中の酸素濃度が９５％を超えることにより、そのガス中のＮ₂濃度が０乃至その近くまで激減することがある。このようなとき、ガス添加装置４でＮ₂ガスを添加することにより、オゾン発生装置３に供給される酸素ガス中のＮ₂濃度が適正濃度である０．１％以上に維持される。
【００３９】
オゾン発生装置３での放電セルの放電ギャップは０．３ｍｍ程度である。
【００４０】
【発明の効果】
以上に説明した通り、本発明のオゾン発生設備及びその運転方法は、酸素発生源として我が国に適したＰＳＡ法による酸素発生装置を使用する場合に問題となるオゾン濃度の不安定を解消し、水処理等のへのオゾンの安定供給を可能にする。特に、１５０ｇ／Ｎｍ³以上の高濃度オゾンガス、更には２００ｇ／Ｎｍ³以上の超高濃度のオゾンガスを発生させる高性能オゾン発生装置を使用する場合に大きな問題となる著しい性能低下を阻止し、ＰＳＡ法による酸素発生装置との組み合わせで高濃度乃至超高濃度オゾンガスをオゾン処理設備へ安定的に供給することにより、オゾン処理設備での処理効率の向上、経済性の向上に大きな効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は酸素発生装置での酸素流量と酸素濃度との関係を示すグラフ、（ｂ）はオゾン発生装置での酸素ガス中のＮ₂濃度とオゾン濃度との関係を示すグラフである。
【図２】本発明の好ましい実施形態を示すオゾン発生設備のガス系統図である。
【符号の説明】
１酸素発生装置
２ガス配管
３オゾン発生装置
４ガス添加装置

Claims

圧力変動吸着法により空気から窒素を吸着分離して酸素を濃縮する酸素発生装置と、該酸素発生装置にて発生させた酸素ガスを原料ガスとしてオゾンガスを発生させる放電式のオゾン発生装置とを備えたオゾン発生設備において、
酸素発生装置からオゾン発生装置に送給される酸素ガスにオゾン発生促進効果のある促進ガスとしてＮ ₂ ガスを添加するガス添加装置を設け、
オゾン発生装置で発生させるオゾンガスのオゾン濃度が１５０ｇ／Ｎｍ ³ 以上である場合に、酸素発生装置では９５％以上の酸素ガスを発生させ、ガス添加装置では定常的に促進ガスを添加することにより、オゾン発生装置に供給される酸素ガス中の促進ガス濃度を０．５〜５％に調整することを特徴とするオゾン発生設備の運転方法。