JP4900676B2

JP4900676B2 - 還元用雰囲気ガスの置換及び回収方法

Info

Publication number: JP4900676B2
Application number: JP2006193532A
Authority: JP
Inventors: 正純藤原
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: JP2008018367A

Description

本発明は、ＮＯｘ等の酸化物を放電や触媒を用いて還元処理する装置において、雰囲気ガスを窒素等の還元用ガスに置換し、回収する方法に関する。

排気ガス中や大気中のＮＯｘを放電や触媒を用いて処理する場合に、酸化反応では硝酸等の副生成物処理が必要となる。従って、ＮＯｘはＮ_２とＯ_２に還元処理することが望ましい。しかし、酸素雰囲気下では、ＮＯｘの還元反応は進行しない。このため、空気中やディーゼル排気中のＮＯｘの還元処理は困難である。この問題の解決方法として、ガス処理時の雰囲気ガスを窒素ガスに置換する方法がある。この方法では、窒素ガスに置換するための前処理段階として、ＮＯｘを一旦吸着材に吸着させ、次に、雰囲気ガスを窒素ガスに置換した後、吸着材充填容器を加熱あるいは減圧することにより吸着したＮＯｘを脱離させる。このようにして窒素ガスとＮＯｘの混合ガスが得られると、放電や触媒によりＮＯｘはＮ_２とＯ_２に還元することが可能である。

本発明は、以上のプロセスの内、窒素ガスへの置換方法に関するものである。以下では、大気中のＮＯｘを吸着材で吸着した後、窒素ガスに置換した後、放電や触媒によりＮＯｘの還元処理を行う場合について説明する。

この種の技術は本発明者等による下記特許文献１及び特許文献２に開示している。
特開２００５−２７０７９５号公報特開２００５−１６９２２１号公報

このようなガス置換を行う場合、通常の方法としては、吸着材を充填した容器内を真空ポンプで排気した後、窒素貯蔵容器から窒素ガスを充填するという方法が考えられる。しかしながら、吸着材は減圧すると、吸着したＮＯｘを脱離させるために、この方法は、適用することができない。

そこで、代替方法として、常圧にて吸着材充填容器に窒素ガスを流通させる方法で置換することが考えられる。この方法では、ガス置換動作中に、窒素ガスと残留ガスとの混合が不可避である。このため、最終的に酸素濃度が低い状態に到達するまでには、相当量の窒素ガスを廃棄することが必要となる。このときの窒素ガスの製造コストは、全体のランニングコストの相当割合を占めると試算される。従って、ガス混合に伴う窒素ガスの廃棄は、ランニングコストを削減する上で、大きな問題となる。

また、大量のガス処理を実行するために、吸着材充填容器の圧力損失を下げることが必要であり、このため、吸着材の充填率も低くなる。その上、空気中ＮＯｘ処理においては、汚染空気中のＮＯｘ濃度は１ｐｐｍ以下と低濃度であるため、吸着ＮＯｘの脱離時の濃度も数十〜数百ｐｐｍ程度である。また、脱離したＮＯｘを還元処理した後に生ずる酸素も同程度である。一方、還元処理を効率的に進行させるためには、酸素濃度は１％程度以下に保つことが必要である。従って、使用済みの窒素ガス（低酸素ガス）は、回収し、繰り返し利用することが望ましい。このような繰り返し利用は、窒素ガスの所要量を大幅に低減するため、ランニングコストの低減が可能となる。しかし、前述の置換方法では、窒素ガスの繰り返し利用ができない、という問題点がある。

したがって本発明は、真空ポンプによるガス吸引を行うことなくガス置換を可能とし、置換用の窒素ガスを繰り返し使用することにより少量の窒素ガスで大量の処理を可能とし、小型で且つ省力化可能なガス置換・回収方法を提供することを主たる目的とする。

本発明では、上記課題を解決し、常圧にてガスの置換と回収を繰り返し行うことができ
るようにするため、具体的には、以下のような方法を採用する。即ち、本発明に係る還元用雰囲気ガスの置換及び回収方法は、バルーン内に窒素ガスを充填し、ポンプ駆動により前記バルーン内の窒素ガスを、吸着材が充填された置換容器に注入して、該置換容器内を還元用雰囲気ガスに置換し、該置換容器を加熱あるいは減圧して、前記吸着材に吸着されたＮＯｘ等の酸化物を脱離させ、前記置換容器内の前記脱離した酸化物を含むガスを、放電装置あるいは触媒により還元処理を行った後、該還元処理により発生した酸素を含む前記置換容器中の低酸素ガスをポンプ駆動により吸引して前記バルーン内に戻し、該バルーン内に戻した前記低酸素ガスを、前記置換容器内に再び注入して、該置換容器内を還元用雰囲気ガスに置換し、繰り返し利用することを特徴とする。

また、本発明に係る他の還元用雰囲気ガスの置換及び回収方法は、前記還元用雰囲気ガスの置換及び回収方法において、記置換容器の前段と後段に1個あるいは複数のバッファタンクを設置し、前記置換容器の前段に設置したバッファタンクの容積と、前記置換容器の後段に設置したバッファタンクの容積を等しくするとともに、前記バルーンの可変体積を、前記置換容器の空隙体積に、前記置換容器の前段に設置したバッファタンクの容積を加えた容積となるよう設定し、前記バルーン内に戻した低酸素ガスを吸引して前記置換容器内に再び注入する際、ガス混合に伴って酸素が混入した前記低酸素ガスを、前記置換容器の前段及び後段に設置したバッファタンク内に収納し、前記低酸素ガスの酸素濃度が所定濃度になるまで繰り返し利用することを特徴とする。

また、本発明に係る他の還元用雰囲気ガスの置換及び回収方法は、前記還元用雰囲気ガスの置換及び回収方法において、前記バルーン内のガスを新たに窒素ガスに更新する際に、使用済みの前記低酸素ガスを前記置換容器前段のバッファタンクを通して排気することにより、該バッファタンク内に前記低酸素ガスを残留させ、バッファガスとして利用することを特徴とする。

また、本発明に係る他の還元用雰囲気ガスの置換及び回収方法は、前記還元用雰囲気ガスの置換及び回収方法において、前記前段のバッファタンク内のガスの一部または全部を排気し、前記バルーン内に戻した前記低酸素ガスに置換した後、該バルーン内に同量の窒素ガスを補給することにより、前記前段のバッファタンク内のガスの一部または全部を更新することを特徴とする。

本発明の効果は以下のとおりである。
１．真空ポンプによるガス吸引を行うことなく、ガス置換が可能であり、装置の小型化と省力化が可能である。
２．バルーンの膨張及び収縮で置換ガスの分量が決まるため、置換ガスの分量を正確かつ簡便に制御できる。
３．置換容器中の処理済みガスをバルーン内に戻すことにより、窒素ガス（低酸素ガス）を繰り返し利用することができる。
４．バッファタンクを置換容器の前段と後段に設置したものにおいては、注入及び吸引時のガス混合により酸素が混入したガスは、前後のバッファタンク内に収納されるため、置換用ガスへの酸素混入は最小限に抑えられる。その結果、窒素ガス（低酸素ガス）の繰り返し利用回数が増大し、窒素ガスの更新頻度を低減できる。
５．バッファタンクを置換容器の前段と後段に複数個設置したものにおいては、注入及び吸引時のガス混合に伴う酸素混入の影響をさらに低減できる。
６．窒素ガスの更新時に、バルーン内の低酸素ガスを前段のバッファタンクを通して排気し、バッファタンク内に低酸素ガスを残留させたものにおいては、使用済みの低酸素ガスをバッファガスとして再利用できることになり、窒素ガスの所要量を低減できる。
７．バッファガスのみを更新する場合に、前段のバッファタンク内のガスの一部あるいは全部を排気し、バルーン内の置換用低酸素ガスを充填し、バルーン内に同量の窒素ガスを補給することにより、バッファタンクの小型化と、窒素ガスの所要量低減を両立できる。
８．以上の効果により、必要最低限のガス量で、ガス置換と回収動作を繰り返すことができる。

本発明は、真空ポンプによるガス吸引を行うことなくガス置換を可能とし、置換用の窒素ガスを繰り返し使用することにより少量の窒素ガスで大量の処理を可能とし、小型で且つ省力化可能なガス置換及び回収手法とするため、バルーン内に窒素ガスを充填し、ポンプ駆動によりバルーン内の窒素ガスを、吸着材が充填された置換容器に注入して置換容器内の被処理ガスを窒素ガスに置換するとともに、吸着材から処理成分を脱離させ、置換容器内で被処理ガスの還元処理を行った後、置換容器中の低酸素ガスをポンプ駆動により吸引してバルーン内に戻し、前記バルーン内のガスを還元処理用ガスとして繰り返し利用するようにしたものである。

本発明の代表的構成例を図１に示す。図１に示す例においては、収容ガス体積追従可変容積型ガス容器としてのバルーン１１の出入り口に接続した管路には、図示されない窒素ガス源からバルブＶ８を介して窒素ガスが供給可能となっており、また、前記窒素ガス供給部より下流にバルブＶ１を設け、更にその下流にポンプ１２を設けている。

ポンプ１２は正逆転可能とし、それによりポンプ１２からバルブＶ１を介してバルーン１１側にガスを供給可能とし、逆にバルーン１１からバルブＶ１を介してポンプ１２下流の第１バッファタンク１３側にガスを供給可能としている。なお、本件の説明に際しては、バルーン１１から第１バッファタンク１３側へのガスの流れを順方向という。

第１バッファタンク１３にはバルブＶ２を介して置換容器１５と接続して置換容器１５のガスを第１バッファタンク１３側へ、また第１バッファタンク１３のガスを置換容器１５側へ供給可能としている。また、第１バッファタンク１３はバルブＶ７を介して外部に通じ、第１バッファタンク１３のガスを外部に排気可能としている。

置換容器１５には更にバルブＶ３を介して第２バッファタンク１４が接続し、第２バッファタンク１４には更にバルブＶ４を介して外部に接続しており、第２バッファタンク１４のガスを排気し、或いは外気を導入可能とする。置換容器１５は更にバルブＶ５を介して外部のＮＯｘ汚染ガスを導入可能とし、その際はバルブＶ６を介して置換容器１５のガスを外部に排気可能としている。

第１バッファタンク１３と第２バッファタンク１４の内容積は等しく設定し、バルーン１１内の最大体積から最小体積を減じた体積としての可変体積は、吸着材を充填した置換容器１５中の空隙体積に、更に第１バッファタンク１３の内容積を加えた容積と等しく設定する。

上記のような構成からなるガス置換及び回収装置において、初期状態では図１に示すように置換容器１５内の吸着材にＮＯｘが吸着され、バルブＶ１〜８は全て閉じられているとする。ここではバルーン１１と第１バッファタンク内には窒素ガスが充填されている。以下のような手順で装置を動作させる。

（２）置換容器１５を加熱あるいは減圧し吸着材に吸着したＮＯｘを脱離させる。
（３）図示されていない放電装置あるいは触媒により置換容器１５中のＮＯｘを還元処理する。還元処理により、酸素が発生するため、置換容器１５中のガスは低酸素ガスとなる。

（４）次に図４に示すように、バルブＶ１、２、３、４を開き、ポンプ１２を逆方向に駆動することにより、第１バッファタンク１３と置換容器１５中のガスを図５のようにバルーン１１内へ戻す。この時、第２バッファタンク１４内のガスは第１バッファタンク１３へ戻る。この過程においても、ガス移動時のガス混合により酸素の混入したガスは、第１バッファタンク１３へ収納されるので、バルーン１１内へ回収した低酸素ガスには、ガス混合に伴う酸素混入の影響を最小限に抑えることができる。次いで図６のようにポンプ１２を停止し、バルブＶ１、２、３、４を閉じる。

（５）その後図６のように、バルブＶ５とバルブＶ６を開き、吸着材を充填した置換容器１５にＮＯｘ汚染ガスを流通させ、ＮＯｘを吸着させる。その後バルブＶ５とバルブＶ６を閉じる。
以後、前記（１）〜（５）を繰り返す。繰り返しに伴い、バルーン１１や置換容器１５内の低酸素ガスの酸素濃度が徐々に上昇する。

２．窒素ガスの更新
前記１．の操作を繰り返すと、ＮＯｘ還元処理や酸素混入の影響で、低酸素ガス中の酸素濃度が上昇する。ＮＯｘの還元処理における概略の酸素許容濃度は１％程度である。これ以上の酸素濃度では、還元処理の効率低下が顕著となる。そこで、酸素濃度が上昇した場合に、窒素ガスを更新することが必要となる。その際、使用済みの低酸素ガスを単に廃棄するよりも、第１バッファタンク１３に充填し、ガス置換時のバッファガスとして再利用すれば、窒素ガスの有効利用となり、窒素ガス所要量を低減できる。

具体的な窒素ガスの更新手順は以下の通りである。なお、初期状態は、上記１．（５）が終了した状態である。
（１）図７に示すように、バルブＶ１とバルブＶ７を開き、ポンプ１２を順方向に駆動することにより、バルーン１１内の低酸素ガスを第１バッファタンク１３を通して排気する。バルーン１１内のガスを全部排気した後、バルブＶ１とバルブＶ７を閉じる。これにより、第１バッファタンク１３内には低酸素ガスが充填される。
（２）以降は図１に示すようにバルブＶ８を開き、バルーン１１内に窒素ガスを充填する。窒素ガス供給側の圧力は、レギュレータにより一定の圧力に保つ。次いでバルブＶ８を閉じる。これにより、バルーン１１内のガスが窒素ガスに更新されるので、前記１．（１）に戻り１．（１）〜（５）の処理を繰り返すことができる。

３．バッファガスの部分更新
装置の小型化のためには、バッファタンクの容量は小さい方が望ましい。小型化に伴い、バッファガスの酸素濃度上昇が顕著となり、バッファガスのみを更新する必要性が生ずる場合がある。そのような場合、前記２．と同様な方法でバッファガスのみを排気すれば、第１バッファタンク１３内には、バルーン１１内の低酸素ガスが充填される。その後、バルーン１１内に、排気したバッファガスと同量の窒素ガスを補給すれば、置換用ガス中の酸素濃度も低下する。具体的には以下のような手順で行う。なお、初期状態は上記１．（５）が終了した状態である。
（１）図８に示すようにバルブＶ１とバルブＶ７を開き、ポンプ１２を順方向に駆動することにより、第１バッファタンク１４内のガスを排気し、バルーン１１内の低酸素ガスを充填する。バルブＶ１とバルブＶ７を閉じる。この時点では、バルーン１１の縮小は途中段階で停止している。
（２）その後図１のようにバルブＶ８を開き、バルーン１１内に窒素ガスを補給し、バルブＶ８を閉じる。これにより、バルーン１１内の酸素濃度が低下するため、前記２．の方法によるバルーン１１内の窒素ガス更新の頻度も低減する。以後、１．（１）に戻り１．（１）〜（５）の処理を繰り返す。

本発明では、ガス置換時のガス混合による酸素混入の影響範囲を、第１及び第２バッファタンク１３、１４内に留めることが大きな特徴である。しかしながら、置換操作の繰り返しによりバッファガスの酸素濃度が上昇すると、置換用ガスにも酸素が混入し、ガス更新頻度が高くなる。そこで、バッファタンクを置換容器１６の前後に複数配置することにより、置換ガスへの酸素混入をさらに低減することができる。

上記手法を実施する実施例２を図９、１０に示す。同図は図１の構成部品に加えて、第３バッファタンク１６、第４バッファタンク１７、バルブＶ９、バルブＶ１０を追加したものである。第３バッファタンク１６の容量は、第４バッファタンク１７の容量と等しいが、第１及び第２バッファタンクの容量とは等しくする必要はない。また、バルーン１１の前記可変体積は、吸着材を充填した置換容器１１中の空隙体積と、第１及び第３バッファタンク１３、１６の内容積とを加えた容積となるように設定されている。このような構成により、ガス混合による酸素混入が置換用ガスに及ぶ影響をさらに低減できる。このため、バッファタンク全体の小容量化も可能となる。

操作手順については、前記１．及び２．に関しては、第１及び第３バッファタンク１３、１６を一体的に、同様に、第２第４バッファタンク１４、１７を一体的に運用するために、バルブＶ９とバルブＶ１０の開閉動作が追加されること以外は、実施例１と全く同じである。図９は前記実施例の図１と同様の状態を示し、図１０は図２と同様の状態を示している。
前記操作手順３．のバッファガスの更新に関しては、本実施例では、バッファガスの部分的更新も可能となる。即ち、第３バッファタンク１６のガスのみを排気し、その分減量したバルーン１１内に同量の窒素ガスを補給することが可能である。これにより、バッファガス更新時の排気ガス量が前記図８の例よりも低減し、窒素ガスの所要量を低減できる。

以上は、バッファタンクを２段に分割した場合であるが、同様な拡張により、多段に分割することも可能である。この場合、各バッファタンクの容量は同一である必要はないが、置換容器１５の前段と後段では、対応するバッファタンクの容量は等しくすることが必要である。また、バルーン１１の前記可変体積は、吸着材を充填した置換容器１５中の空隙体積と、置換容器１５の前段の全バッファタンクの内容積とを加えた容積となるように設定する。このような構成を採用することにより、置換用ガスへの酸素混入は、大幅に低減できる上、バッファガスの部分的更新の設定範囲も自由度が大きくなる。バッファタンク全容積の小型化が可能であり、窒素ガスの所要量もさらに低減できる。

本発明は、大気中のＮＯｘを還元処理する装置において、還元用雰囲気ガスの置換及び回収方法として利用が可能である。その他、真空ポンプによるガス吸引が困難な場合のガス置換装置、あるいは、処理用ガスを何度も繰り返し利用する場合のガスの置換及び回収装置として、有効に利用することができる。

本発明の実施例1におけるガス置換回収処理の第１の態様を示す図である。本発明の実施例1におけるガス置換回収処理の第２の態様を示す図である。本発明の実施例1におけるガス置換回収処理の第３の態様を示す図である。本発明の実施例1におけるガス置換回収処理の第４の態様を示す図である。本発明の実施例1におけるガス置換回収処理の第５の態様を示す図である。本発明の実施例1におけるガス置換回収処理の第６の態様を示す図である。本発明の実施例1における窒素ガスの回収処理を示す図である。本発明の実施例1におけるバッファガスの部分更新処理を示す図である。本発明の実施例２におけるガス置換回収処理の第１の態様を示す図である。本発明の実施例２におけるガス置換回収処理の第２の態様を示す図である。本発明の実施例２におけるバッファガスの部分更新処理を示す図である。

符号の説明

１バルブＶ１
２バルブＶ２
３バルブＶ３
４バルブＶ４
５バルブＶ５
６バルブＶ６
７バルブＶ７
８バルブＶ８
９バルブＶ９
１０バルブＶ１0
１１バルーン
１２ポンプ
１３第１バッファタンク
１４第２バッファタンク
１５置換容器
１６第３バッファタンク
１７第４バッファタンク

Claims

バルーン内に窒素ガスを充填し、
ポンプ駆動により前記バルーン内の窒素ガスを、吸着材が充填された置換容器に注入して、該置換容器内を還元用雰囲気ガスに置換し、
該置換容器を加熱あるいは減圧して、前記吸着材に吸着されたＮＯｘ等の酸化物を脱離させ、
前記置換容器内の前記脱離した酸化物を含むガスを、放電装置あるいは触媒により還元処理を行った後、
該還元処理により発生した酸素を含む前記置換容器中の低酸素ガスをポンプ駆動により吸引して前記バルーン内に戻し、
該バルーン内に戻した前記低酸素ガスを、前記置換容器内に再び注入して、該置換容器内を還元用雰囲気ガスに置換し、繰り返し利用することを特徴とする、還元用雰囲気ガスの置換及び回収方法。
前記置換容器の前段と後段に1個あるいは複数のバッファタンクを設置し、
前記置換容器の前段に設置したバッファタンクの容積と、前記置換容器の後段に設置したバッファタンクの容積を等しくするとともに、前記バルーンの可変体積を、前記置換容器の空隙体積に、前記置換容器の前段に設置したバッファタンクの容積を加えた容積となるよう設定し、
前記バルーン内に戻した低酸素ガスを吸引して前記置換容器内に再び注入する際、ガス混合に伴って酸素が混入した前記低酸素ガスを、前記置換容器の前段及び後段に設置したバッファタンク内に収納し、
前記低酸素ガスの酸素濃度が所定濃度になるまで繰り返し利用することを特徴とする請求項１記載の還元用雰囲気ガスの置換及び回収方法。
前記バルーン内のガスを新たに窒素ガスに更新する際に、使用済みの前記低酸素ガスを前記置換容器前段のバッファタンクを通して排気することにより、該バッファタンク内に前記低酸素ガスを残留させ、バッファガスとして利用することを特徴とする請求項２記載の還元用雰囲気ガスの置換及び回収方法。
前記前段のバッファタンク内のガスの一部または全部を排気し、前記バルーン内に戻した前記低酸素ガスに置換した後、該バルーン内に同量の窒素ガスを補給することにより、前記前段のバッファタンク内のガスの一部または全部を更新することを特徴とする請求項２記載の還元用雰囲気ガスの置換及び回収方法。