JP7207626B1 - ガス分離設備およびガス分離方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、最近では、製鉄プロセス等から排出される二酸化炭素(CO2)からメタノールなどの有用な化学品を製造するCCU(Carbon capture and utilization)が着目されている。この場合、製鉄プロセスから排出される高炉ガス(CO2、CO、N2を含む原料ガス)からCO2を効率良く分離することが望まれる。
[1]少なくともガス成分1およびガス成分2を含有する原料ガスから、圧力スイング吸着法により、上記ガス成分1を分離回収するガス分離設備であって、上記ガス成分1および上記ガス成分2を吸脱着する吸着剤が充填された吸着塔と、上記原料ガスを上記吸着剤に吸着させるために上記吸着塔に導入する導入部と、上記吸着剤に吸着した上記原料ガスを脱着させるために上記吸着塔を減圧する減圧部と、上記吸着剤の温度を測定する温度測定部と、上記吸着剤の温度を調整する温度調整部と、上記吸着剤の温度が目標温度になるように、上記温度調整部を制御する制御部と、を備え、上記目標温度は、上記ガス成分1および上記ガス成分2の上記吸着剤に対する有効吸着量の温度変化率を比較することにより決定される温度である、ガス分離設備。
[2]上記目標温度は、上記ガス成分1の上記吸着剤に対する有効吸着量の温度変化率が、上記ガス成分2の上記吸着剤に対する有効吸着量の温度変化率よりも小さい温度である、上記[1]に記載のガス分離設備。
[3]上記制御部が、上記目標温度を下記ステップ1~3に従い決定する、上記[1]または[2]に記載のガス分離設備。
ステップ1:上記ガス成分1および上記ガス成分2について、温度Tにおけるガス成分i(i=1,2)の吸着等温線から、圧力スイング幅に対応する平衡吸着量の変化である有効吸着量ΔQi(T)を計算する。
ステップ2:上記ガス成分1および上記ガス成分2について、基準温度TAと基準温度TAから変化させた変化温度TBとの有効吸着量ΔQi(T)の温度変化率Xi(TA,TB)=1-{ΔQi(TB)/ΔQi(TA)}を計算する。ただし、TA<TBである。
ステップ3:上記ガス成分1および上記ガス成分2について、有効吸着量の温度変化率Xi(TA,TB)を比較して、下記式(1)を満たす変化温度TBを目標温度に決定する。ただし、0<α≦1である。
X1(TA,TB)<α×X2(TA,TB)…(1)
[4]上記減圧部は、上記吸着剤から脱着した上記原料ガスを排気する排気ラインを備え、上記排気ラインは、上記ガス成分1が排気される分岐ラインと、上記ガス成分2が排気される分岐ラインとに分岐している、上記[1]~[3]のいずれかに記載のガス分離設備。
[5]上記温度調整部は、上記原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、上記吸着剤の温度を調整する、上記[1]~[4]のいずれかに記載のガス分離設備。
[6]上記温度調整部は、熱媒流量および伝熱面積の少なくともいずれかを可変制御できる熱交換器を含み、上記熱交換器を用いて上記原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、上記吸着剤の温度を調整する、上記[5]に記載のガス分離設備。
[7]上記熱交換器の出側の上記原料ガスの一部を上記熱交換器の入側に循環させるガス循環部を備える、上記[6]に記載のガス分離設備。
[8]少なくともガス成分1およびガス成分2を含有する原料ガスから、圧力スイング吸着法により、上記ガス成分1を分離回収するガス分離方法であって、上記ガス成分1および上記ガス成分2を吸脱着する吸着剤が充填された吸着塔に、上記原料ガスを導入して上記吸着剤に吸着させ、上記吸着塔を減圧することにより、上記吸着剤に吸着した上記原料ガスを脱着させ、上記吸着剤の温度を測定する温度測定部を用いて、上記吸着剤の温度を測定し、上記吸着剤の温度を調整する温度調整部を制御して、上記吸着剤の温度が目標温度になるように調整し、上記目標温度は、上記ガス成分1および上記ガス成分2の上記吸着剤に対する有効吸着量の温度変化率を比較することにより決定される温度である、ガス分離方法。
[9]上記目標温度は、上記ガス成分1の上記吸着剤に対する有効吸着量の温度変化率が、上記ガス成分2の上記吸着剤に対する有効吸着量の温度変化率よりも小さい温度である、上記[8]に記載のガス分離方法。
[10]上記目標温度を下記ステップ1~3に従い決定する、上記[8]または[9]に記載のガス分離方法。
ステップ1:上記ガス成分1および上記ガス成分2について、温度Tにおけるガス成分i(i=1,2)の吸着等温線から、圧力スイング幅に対応する平衡吸着量の変化である有効吸着量ΔQi(T)を計算する。
ステップ2:上記ガス成分1および上記ガス成分2について、基準温度TAと基準温度TAから変化させた変化温度TBとの有効吸着量ΔQi(T)の温度変化率Xi(TA,TB)=1-{ΔQi(TB)/ΔQi(TA)}を計算する。ただし、TA<TBである。
ステップ3:上記ガス成分1および上記ガス成分2について、有効吸着量の温度変化率Xi(TA,TB)を比較して、下記式(1)を満たす変化温度TBを目標温度に決定する。ただし、0<α≦1である。
X1(TA,TB)<α×X2(TA,TB)…(1)
[11]上記ガス成分1および上記ガス成分2を上記吸着剤に吸着させて、上記吸着剤に吸着した上記ガス成分1および上記ガス成分2を、区分けした時間帯ごとに分けて脱着させる、上記[8]~[10]のいずれかに記載のガス分離方法。
[12]上記原料ガスを上記吸着剤に吸着させ、その後、脱着させるまでを1サイクルとして、少なくとも5サイクルが経過した後に、上記温度測定部を用いて上記吸着剤の温度を測定し、上記温度調整部を制御して、上記吸着剤の温度が目標温度になるように調整する、上記[8]~[11]のいずれかに記載のガス分離方法。
[13]上記吸着剤の温度として、上記温度測定部により測定される温度振幅の最大値を用いる、上記[8]~[12]のいずれかに記載のガス分離方法。
[14]上記温度調整部は、上記原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、上記吸着剤の温度を調整する、上記[8]~[13]のいずれかに記載のガス分離方法。
[15]上記温度調整部は、熱媒流量および伝熱面積の少なくともいずれかを可変制御できる熱交換器を含み、上記熱交換器を用いて上記原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、上記吸着剤の温度を調整する、上記[14]に記載のガス分離方法。
[16]上記熱交換器の出側の上記原料ガスの一部を上記熱交換器の入側に循環させる、上記[15]に記載のガス分離方法。
以下、図1~図9に基づいて、ガス分離設備を説明する。以下の説明は、ガス分離方法の説明を兼ねる。
図1は、第1実施形態のガス分離設備11を示す模式図である。
ガス分離設備11は、少なくともガス成分1(例えば、CO2)およびガス成分2(例えば、N2)を含有する原料ガスから、圧力スイング吸着(PSA)法により、ガス成分1を分離回収する設備である。
ガス分離設備11は、ガスが上下方向に流れる縦型の吸着塔12を主体に構成されている。吸着塔12の内部には、ガス成分1およびガス成分2を吸脱着(吸着および脱着)する吸着剤(図示せず)が充填されている。
図1に示すガス分離設備11は、いわゆる多塔式であり、2台の吸着塔12(吸着塔12aおよび吸着塔12b)が並列に配置されている。吸着塔12の台数は、2台に限定されず、1台でもよく、3台以上であってもよい。
原料ガス供給源61は、例えば、原料ガスとして高炉ガスを排出する高炉である。
導入ライン13は、原料ガス(少なくともガス成分1およびガス成分2を含有するガス)を、吸着剤に吸着させるために、吸着塔12の内部に導入する。導入ライン13の途中には、開閉弁21が設けられている。導入ライン13は、導入部を構成する。
脱着ガス排気ライン15は、真空ポンプ18に接続している。真空ポンプ18を駆動することにより、吸着塔12の内部が減圧されて、吸着剤に吸着していた原料ガスが脱着される。吸着剤から脱着した原料ガス(脱着ガス)は、脱着ガス排気ライン15を経由して、排気される。脱着ガス排気ライン15における真空ポンプ18よりも上流側には、開閉弁23が設けられている。
分岐ライン16および分岐ライン17には、それぞれ、開閉弁24および開閉弁25が設けられている。
原料ガスに含まれるガス成分1およびガス成分2のうち、例えば、回収を所望しないガス成分2を含むガス(不純物ガス)が、分岐ライン16を経由して排気される。一方、回収を所望するガス成分1を含むガス(回収ガス)が、分岐ライン17を経由して排気される。
温度測定部26は、特に限定されないが、例えば、熱電対である。温度測定部26が熱電対である場合、吸着塔12の外周部に、吸着塔12の内部に到達する熱電対用の鞘管(図示せず)を設けてもよい。この鞘管に熱電対を挿入することにより、吸着塔12の内部に充填された吸着剤の温度を容易に測定できる。
吸着塔12ごとに、複数の温度測定部26を設けてもよい。例えば、図1においては、吸着塔12の上下方向に分散させて、温度測定部26aおよび温度測定部26bを配置している。これにより、吸着剤の温度を偏りなく測定できる。
温度調整部31としては、特に限定されず、例えば、電気式加熱装置である電熱ヒータなどの公知のヒータが用いられ、その具体例としては、導入ライン13の外周部を覆うジャケット式ヒータが挙げられる。
温度調整部31は、導入ライン13を流れる原料ガスを加熱することにより、吸着塔12の内部に導入される原料ガスの温度を調整する。こうして、例えば、基準温度TA(例えば、25℃)であった原料ガスは、昇温して、変化温度TBとなる(TA<TB)。
このとき、吸着塔12の吸着剤の温度も、当初は基準温度TAであるが、変化温度TBとなった原料ガスが吸着塔12に導入されて吸着剤に吸脱着されることにより、基準温度TAであった吸着剤も加熱されて、次第に変化温度TBとなる。
こうして、吸着塔12の内部に導入される原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、吸着塔12の内部に充填された吸着剤の温度が調整される。
例えば、吸着塔12が小型である場合には、吸着塔12の外周部に、温度調整部31としてジャケット式ヒータを設けてもよい。この場合、吸着塔12の外周部から、吸着塔12の内部に充填された吸着剤を加熱する。もっとも、この場合、吸着塔12の内径が大きいと、伝熱不良が起こりやすく、吸着塔12の中心部まで吸着剤を一様に加熱しにくいことがある。
これに対して、上述した例(原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、吸着剤の温度を調整する例)によれば、吸着塔12の中心部にも原料ガスが導入されるため、吸着塔12の中心部まで吸着剤を一様に加熱しやすい。
後述するように、15℃程度の小さい温度変化でも、吸着剤の平衡吸着量は顕著に変化する場合がある(図2~図4を参照)。このため、吸着剤は、一様に加熱されることが好ましい。
制御部35による制御を受けて、温度調整部31は駆動し、所望の温度まで上昇する。こうして、導入ライン13を流れる原料ガスが所望の温度に加熱される。
図2、図3および図4は、それぞれ、温度を変化させて測定したCO2、COおよびN2の吸着等温線の一例を示すグラフである。
図2~図4の吸着等温線は、吸着剤として13Xゼオライトを用いて測定された吸着等温線(13Xゼオライトに各ガス成分を吸脱着させたときの吸着等温線)である。
図2~図4においては、吸着等温線を測定する際の温度Tを、10~70℃の範囲で、15℃ずつ変化させている。吸着等温線は、圧力と平衡吸着量Qとの関係であり、横軸は圧力(分圧)を示し、縦軸は平衡吸着量を示す。
吸着力の大きいCO2は、低圧では吸着剤の細孔内部に急激に吸着するため、吸着等温線は、低圧での傾きが大きい非線形である。CO2は、高圧では殆ど脱着せず、低圧まで減圧されると急激に脱着する。
一方、吸着力の小さいN2およびCOの吸着等温線は、CO2よりも広い圧力範囲において直線状である。N2およびCOは、高圧から低圧になる過程で脱着する。
圧力スイング吸着(PSA)法では、吸着剤に対する平衡吸着量Qが、圧力スイングにより変化する現象を利用する。平衡吸着量Q(単に「吸着量Q」とも表記する)の変化は、有効吸着量ΔQと呼ばれる。図5に示すように、同じ圧力スイング幅であっても、ガス成分ごとに異なる有効吸着量ΔQi(i=1,2)を有する。
ガス成分1(CO2)の有効吸着量ΔQ1(ΔQCO2)が、ガス成分2(N2)の有効吸着量ΔQ2(ΔQN2)よりも大きい吸着剤を用いる。これにより、PSA法を利用して、ガス成分1(CO2)を分離できる。
図1に示すガス分離設備11において、少なくともガス成分1およびガス成分2を含有する原料ガスから、圧力スイング吸着(PSA)法により、ガス成分1を分離回収する方法について説明する。
これにより、原料ガスは、吸着塔12の内部に充填されている吸着剤に吸着する。
より詳細には、図1に示すように、吸着塔12の導入口(導入ライン13と吸着塔12との接続部分)に近い領域に、吸着力の大きいガス成分1が吸着する。一方、吸着塔12の導入口から遠い領域に、吸着力の小さいガス成分2が吸着する。
このとき、脱着ガス排気ライン15の開閉弁23を閉じ、かつ、オフガス排気ライン14の開閉弁22を開けておく。これにより、吸着剤に吸着しなかった原料ガス(オフガス)は、オフガス排気ライン14を経由して、排気される。
そして、真空ポンプ18を駆動することにより、吸着塔12の内部の減圧を開始する。
これにより、まず、吸着力の小さいガス成分2を含む不純物ガス(便宜的に、単に「ガス成分2」ともいう)が吸着剤から脱着して、脱着ガス排気ライン15および分岐ライン16を経由して、排気される(第1時間帯)。
このとき、ガス成分2は、ガス成分1が吸着している領域を通過することなく、吸着剤から脱着する。このため、ガス成分1が部分的に吸着剤から脱着して排気されることが抑制される。
これにより、吸着力の大きいガス成分1を含む回収ガス(便宜的に、単に「ガス成分1」ともいう)が吸着剤から脱着して、脱着ガス排気ライン15および分岐ライン17を経由して、排気される(第2時間帯)。第2時間帯では、第1時間帯よりも、吸着塔12の内部をより減圧してもよい。こうして、ガス成分1が分離回収される。
具体的には、例えば、1台の吸着塔12aから脱着される高純度のガス成分1(CO2)の一部を、別の吸着塔12bのガス成分2(N2)の追い出しに使用してもよい。
そこで、目標温度を設定して、吸着剤の温度が、この目標温度になるように調整する。
目標温度は、ガス成分1およびガス成分2の吸着剤に対する有効吸着量の温度変化率を比較することにより決定される温度である。
一方、CO2の吸着等温線は、温度が高くなると、高圧では傾きの変化は小さい(ほぼ平行に下側にシフトする)が、低圧(例えば、10kPa未満)では傾きが顕著に減少する(図2を参照)。
もっとも、吸着塔12の内部を真空状態まで減圧するのは、真空ポンプ18の運転効率が悪いため、一般的には、高圧(例えば、10kPa以上)で脱着を実施する。この場合、温度が高くなっても、吸着等温線の傾きの減少は小さい。
すなわち、CO2の有効吸着量ΔQCO2は、温度を上げても小さくなりにくく、温度依存性が小さい(温度変化率が小さい)。
これにより、ΔQ1>ΔQ2の関係が維持された状態で、その差がより大きくなり、PSA法を利用して、ガス成分1をより分離しやすくなる。
ステップ1:ガス成分1およびガス成分2について、温度Tにおけるガス成分i(i=1,2)の吸着等温線から、圧力スイング幅に対応する平衡吸着量の変化である有効吸着量ΔQi(T)を計算する。温度Tにおけるガス成分iの吸着圧力(分圧)および脱着圧力(分圧)も適宜参照する。
圧力スイング幅は、ガス成分iごとに適宜決定され、ガス成分iごとに同じであってもよく、異なっていてもよい。
基準温度TAは、特に限定されず、例えば、常温(5~35℃)の範囲から選ばれる任意の温度である。
X1(TA,TB)<α×X2(TA,TB)…(1)
図6においては、ΔQCO2(TA):ΔQCO2(TB)=1:0.9であり、かつ、ΔQN2(TA):ΔQN2(TB)=1:0.5であるから、以下のように計算されて、上記式(1)を満たす。
XCO2(TA,TB)=1-{ΔQCO2(TB)/ΔQCO2(TA)}=0.1
XN2(TA,TB)=1-{ΔQN2(TB)/ΔQN2(TA)}=0.5
XCO2(TA,TB)<α×XN2(TA,TB)
換言すれば、その他のガス成分を、別のガス成分2とみなし、この別のガス成分2についても、上記式(1)を満たすように、目標温度を決定する。
一方で、TBが高すぎると、例えばガス成分1(CO2)の有効吸着量ΔQ1(ΔQCO2)が小さくなりすぎて、吸着剤の必要充填量が増加し、その結果、吸着塔12が大型化する場合がある。これを避ける観点から、例えば吸着剤として13Xゼオライトを用いる場合には、TBは100℃以下が好ましい。
吸着剤の種類によって、有効吸着量ΔQの温度変化量は、異なる。このため、変化温度TBの上限は、例えば、吸着剤の種類、吸着剤のコスト、吸着塔のサイズ制約などを考慮して、適宜設定される。
例えば、制御部35が、プログラム等に基づいて自動的に、または、ガス分離設備11の作業者による操作を受けて、計算を実行し、目標温度を決定してもよい。
また、ガス分離設備11の作業者が、別の電子計算機を用いて目標温度を決定し、決定した目標温度を、制御部35に入力してもよい。
そのうえで、決定された目標温度に基づいて、制御部35は、温度調整部31を駆動制御する。
より具体的には、原料ガスを吸着塔12の内部に導入してから、開閉弁21を閉じ、その後、脱着ガス排気ライン15を経由して、その原料ガス(脱着ガス)を吸着塔12から排気するまでを1サイクルとする。
吸着塔12に充填された吸着剤の温度は、原料ガスの導入(吸着)が開始されると、その開始前と比べて、変化する場合がある。そこで、少なくとも5サイクルが経過した後に、温度測定部26を用いて吸着剤の温度を測定する。これにより、吸着剤の温度が安定化して、正確な温度が測定できる。その後、温度調整部31を制御して、吸着剤の温度が目標温度になるように調整する。
一般的に、吸着熱は発熱であり、脱着熱は吸熱であるため、吸着剤の温度は、吸着工程の完了後が最も高く、脱着工程の完了後が最も低い。
脱着ガスにおけるガス成分1の純度は、ガス成分2が多く脱着する脱着工程の初期(すなわち、吸着工程の完了直後)における原料ガスの脱着挙動による影響が大きい。
つまり、例えば、上述した第2時間帯にガス成分1の純度が高い回収ガスを得るためには、上述した第1時間帯(脱着工程の初期、すなわち、吸着工程の完了直後を含む)に適切に吸着剤の温度を調整してガス成分2を多く脱着させることが好ましい。
このため、温度測定部26が測定する温度としては、吸着剤の温度が最も高い吸着工程の完了直後の温度、すなわち、温度測定部により測定される温度振幅の最大値を用いることが好ましい。
図7は、第2実施形態のガス分離設備11aを示す模式図である。
第1実施形態と同じ部分については、同じ符号で示し、説明も省略する。
熱交換器42は、熱媒ライン45を介して、熱媒源43に接続している。熱媒ライン45には、ポンプ44および複数の開閉弁46が設けられている。開閉弁46を開けて、ポンプ44を駆動することにより、熱交換器42には、熱媒源43から、熱媒ライン45を経由して、熱媒(図示せず)が流れる。
こうして、導入ライン13を流れる原料ガスは、熱交換器42において熱交換されて、温度が調整される。
これにより、例えば、流量調節弁47による熱媒流量の制御が難しい場合にも、熱交換器42に流れる熱媒の流量を可変制御できる。
開閉弁46を開閉させることにより、熱媒ライン45aまたは熱媒ライン45bのみに熱媒が流れる状態、熱媒ライン45aおよび熱媒ライン45bの両方に熱媒が流れる状態などを、適宜選択できる。
こうして、熱交換器42においては、導入ライン13を流れる原料ガスに熱を伝える面(伝熱面)が区分けされており、この面積(伝熱面積)を可変制御できる。
もっとも、CO2、N2などの吸着等温線の温度変化は、100℃以下程度の低い温度で生じる現象であることから(図2~図4を参照)、電気から熱へのエネルギー変換効率が低い電気式加熱装置を用いるのは、非効率とも言える。
100℃以下程度の温度であれば、例えば工場などで発生する温排水などを熱媒として用いて、その低温排熱により原料ガス(ひいては、吸着剤)を加熱できる。
そこで、第2実施形態においては、熱媒を用いて原料ガスの温度を調整できる熱交換器42を用いる。これにより、未利用の排熱などを有効活用でき、経済性が高い。
なお、通常の熱交換器では、熱媒流量および伝熱面積は一定として設計されるため、原料ガスの温度を制御しにくい。
そこで、第2実施形態においては、熱媒流量および伝熱面積の少なくともいずれかを制御できる熱交換器42を用いる。これにより、例えば、熱媒の温度が一定ではない場合などであっても、原料ガスの温度を調整できる。
図8は、第3実施形態のガス分離設備11bを示す模式図である。
第1~第2実施形態と同じ部分については、同じ符号で示し、説明も省略する。
ガス分離設備11bは、温度調整部41の周辺に、ガス循環部51を有する。
ガス循環部51は、導入ライン13における熱交換器42の出側から入側に接続した循環ライン52を有する。循環ライン52の途中には、ポンプ53が配置されている。ポンプ53を駆動することにより、熱交換器42の出側の原料ガスの一部が、熱交換器42の入側に循環される。
例えば、熱交換器42の伝熱面積の可変制御(図7を参照)が設計的に難しい場合も考えられる。その場合、このような循環を繰り返すことにより、原料ガスが熱交換器42を繰り返し流通するため、熱交換器42の伝熱面積を増やす効果と同等の効果が得られる。
まず、以下に説明する実施例1~2および比較例1で用いたガス分離設備11cを、図9に基づいて説明する。
吸着塔12の入側に配置された導入ライン13および吸着塔12の外周部には、図9に示すように、電熱ヒータである温度調整部31が設けられており、温度調整部31によって、導入ライン13を流れる原料ガスおよび吸着剤30の温度を制御できる。
温度測定部26は、熱電対である。吸着塔12には、吸着塔12の内部に到達する鞘管27が設けられており、鞘管27に温度測定部26(熱電対)を挿入することにより、吸着塔12の内部に充填された吸着剤30の温度を測定できる。
ボンベガスおよびマスフローコントローラ(いずれも図示せず)を用いて、製鉄所から排出される高炉ガスを模擬した、22体積%CO2、24体積%CO、49体積%N2および5体積%H2の4成分混合ガスを調製し、これを原料ガスとして用いた。
温度調整部31(電熱ヒータ)を駆動することにより、吸着剤30の温度を、基準温度TA(25℃)から、目標温度である変化温度TB(90℃)に加熱した。この目標温度は、事前に、上述したステップ1~3に従い決定されたものであり、上述した式(1)を満たす。
吸着剤30の温度は、鞘管27に挿入された温度測定部26(熱電対)を用いて求めた。より詳細には、得られた温度振幅データの最大値から求めた。
その後、真空ポンプ18を用いて、吸着塔12の内部を圧力6kPaまで減圧して、吸着剤30に吸着していた原料ガスを脱着させた。1サイクルあたりの吸着工程および脱着工程の合計時間は、200秒(吸着工程:100秒、脱着工程:100秒)とした。
こうして、吸着剤30から脱着した原料ガス(脱着ガス)を、回収ガスとして回収した。ガス分析計(図示せず)を用いて、回収ガスのCO2濃度を測定した。
回収ガスのCO2濃度と、原料ガスのCO2濃度とに基づいて、CO2回収率を求めた。結果を図10のグラフに示す。
目標温度を60℃にした。この目標温度は、事前に、上述したステップ1~3に従い決定されたものであり、上述した式(1)を満たす。
これ以外は、実施例1と同様にして、回収ガスを回収し、CO2回収率を求めた。結果を図10のグラフに示す。
温度調整部31(電熱ヒータ)を駆動しなかった。すなわち、吸着剤30の温度を、基準温度TA(25℃)のままにした。
それ以外は、実施例1と同様にして、回収ガスを回収し、CO2回収率を求めた。結果を図10のグラフに示す。
図10は、実施例1~2および比較例1のCO2回収率を示すグラフである。
図10のグラフに示すように、吸着剤の温度を目標温度(90℃または60℃)に調整した実施例1~2では、これをしなかった比較例1よりもCO2回収率が高く、原料ガスからCO2を効率良く分離できた。
2:ガス成分2
11,11a,11b:ガス分離設備
12,12a,12b:吸着塔
13:導入ライン(導入部)
14:オフガス排気ライン
15:脱着ガス排気ライン(減圧部)
16:分岐ライン(減圧部)
17:分岐ライン(減圧部)
18:真空ポンプ(減圧部)
21,22,23,24,25:開閉弁
26,26a,26b:温度測定部
27:鞘管
30:吸着剤
31:温度調整部
35:制御部
41:温度調整部
42:熱交換器
43:熱媒源
44:ポンプ
45,45a,45b:熱媒ライン
46:開閉弁
47:流量調節弁
48:バイパス
49:開閉弁
51:ガス循環部
52:循環ライン
53:ポンプ
61:原料ガス供給源
Claims (18)
- 少なくともガス成分1およびガス成分2を含有する原料ガスから、圧力スイング吸着法により、前記ガス成分1を分離回収するガス分離設備であって、
前記ガス成分1および前記ガス成分2を吸脱着する吸着剤が充填された吸着塔と、
前記原料ガスを前記吸着剤に吸着させるために前記吸着塔に導入する導入部と、
前記吸着剤に吸着した前記原料ガスを脱着させるために前記吸着塔を減圧する減圧部と、
前記吸着剤の温度を測定する温度測定部と、
前記吸着剤の温度を調整する温度調整部と、
前記吸着剤の温度が目標温度になるように、前記温度調整部を制御する制御部と、
を備え、
前記目標温度は、前記ガス成分1および前記ガス成分2の前記吸着剤に対する有効吸着量の温度変化率を比較することにより決定される温度である、ガス分離設備。 - 前記目標温度は、前記ガス成分1の前記吸着剤に対する有効吸着量の温度変化率が、前記ガス成分2の前記吸着剤に対する有効吸着量の温度変化率よりも小さい温度である、請求項1に記載のガス分離設備。
- 前記制御部が、前記目標温度を下記ステップ1~3に従い決定する、請求項1または2に記載のガス分離設備。
ステップ1:前記ガス成分1および前記ガス成分2について、温度Tにおけるガス成分i(i=1,2)の吸着等温線から、圧力スイング幅に対応する平衡吸着量の変化である有効吸着量ΔQi(T)を計算する。
ステップ2:前記ガス成分1および前記ガス成分2について、基準温度TAと基準温度TAから変化させた変化温度TBとの有効吸着量ΔQi(T)の温度変化率Xi(TA,TB)=1-{ΔQi(TB)/ΔQi(TA)}を計算する。ただし、TA<TBである。
ステップ3:前記ガス成分1および前記ガス成分2について、有効吸着量の温度変化率Xi(TA,TB)を比較して、下記式(1)を満たす変化温度TBを目標温度に決定する。ただし、0<α≦1である。
X1(TA,TB)<α×X2(TA,TB)…(1) - 前記減圧部は、前記吸着剤から脱着した前記原料ガスを排気する排気ラインを備え、
前記排気ラインは、前記ガス成分1が排気される分岐ラインと、前記ガス成分2が排気される分岐ラインとに分岐している、請求項1または2に記載のガス分離設備。 - 前記減圧部は、前記吸着剤から脱着した前記原料ガスを排気する排気ラインを備え、
前記排気ラインは、前記ガス成分1が排気される分岐ラインと、前記ガス成分2が排気される分岐ラインとに分岐している、請求項3に記載のガス分離設備。 - 前記温度調整部は、前記原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、前記吸着剤の温度を調整する、請求項1または2に記載のガス分離設備。
- 前記温度調整部は、前記原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、前記吸着剤の温度を調整する、請求項3に記載のガス分離設備。
- 前記温度調整部は、前記原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、前記吸着剤の温度を調整する、請求項4に記載のガス分離設備。
- 前記温度調整部は、前記原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、前記吸着剤の温度を調整する、請求項5に記載のガス分離設備。
- 少なくともガス成分1およびガス成分2を含有する原料ガスから、圧力スイング吸着法により、前記ガス成分1を分離回収するガス分離方法であって、
前記ガス成分1および前記ガス成分2を吸脱着する吸着剤が充填された吸着塔に、前記原料ガスを導入して前記吸着剤に吸着させ、
前記吸着塔を減圧することにより、前記吸着剤に吸着した前記原料ガスを脱着させ、
前記吸着剤の温度を測定する温度測定部を用いて、前記吸着剤の温度を測定し、
前記吸着剤の温度を調整する温度調整部を制御して、前記吸着剤の温度が目標温度になるように調整し、
前記目標温度は、前記ガス成分1および前記ガス成分2の前記吸着剤に対する有効吸着量の温度変化率を比較することにより決定される温度である、ガス分離方法。 - 前記目標温度は、前記ガス成分1の前記吸着剤に対する有効吸着量の温度変化率が、前記ガス成分2の前記吸着剤に対する有効吸着量の温度変化率よりも小さい温度である、請求項10に記載のガス分離方法。
- 前記目標温度を下記ステップ1~3に従い決定する、請求項10または11に記載のガス分離方法。
ステップ1:前記ガス成分1および前記ガス成分2について、温度Tにおけるガス成分i(i=1,2)の吸着等温線から、圧力スイング幅に対応する平衡吸着量の変化である有効吸着量ΔQi(T)を計算する。
ステップ2:前記ガス成分1および前記ガス成分2について、基準温度TAと基準温度TAから変化させた変化温度TBとの有効吸着量ΔQi(T)の温度変化率Xi(TA,TB)=1-{ΔQi(TB)/ΔQi(TA)}を計算する。ただし、TA<TBである。
ステップ3:前記ガス成分1および前記ガス成分2について、有効吸着量の温度変化率Xi(TA,TB)を比較して、下記式(1)を満たす変化温度TBを目標温度に決定する。ただし、0<α≦1である。
X1(TA,TB)<α×X2(TA,TB)…(1) - 前記ガス成分1および前記ガス成分2を前記吸着剤に吸着させて、
前記吸着剤に吸着した前記ガス成分1および前記ガス成分2を、区分けした時間帯ごとに分けて脱着させる、請求項10または11に記載のガス分離方法。 - 前記ガス成分1および前記ガス成分2を前記吸着剤に吸着させて、
前記吸着剤に吸着した前記ガス成分1および前記ガス成分2を、区分けした時間帯ごとに分けて脱着させる、請求項12に記載のガス分離方法。 - 前記温度調整部は、前記原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、前記吸着剤の温度を調整する、請求項10または11に記載のガス分離方法。
- 前記温度調整部は、前記原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、前記吸着剤の温度を調整する、請求項12に記載のガス分離方法。
- 前記温度調整部は、前記原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、前記吸着剤の温度を調整する、請求項13に記載のガス分離方法。
- 前記温度調整部は、前記原料ガスの温度を調整することにより、間接的に、前記吸着剤の温度を調整する、請求項14に記載のガス分離方法。
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