JPWO2015199227A1 - ガス濃縮方法 - Google Patents
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Abstract
Description
吸着対象ガスを吸着する吸着材を充填した吸着塔が3塔以上設けられ、
吸着塔それぞれについて、
吸着塔下部から吸着対象ガスを含有する原料ガスの供給を受けて、吸着材に吸着対象ガスを吸着するとともに、非吸着成分を主成分とする非吸着ガスを吸着塔上部から放出する吸着工程と、
吸着工程を終え、高圧状態にある吸着塔内のガスを、より低圧状態の他の吸着塔に移送して吸着塔内を中間圧状態にする均圧(降圧)工程と、
均圧(降圧)工程により塔内圧力が低下した後、さらに吸着材を低圧状態まで減圧して、吸着材に吸着された吸着対象ガスを脱着させて吸着塔下部から回収する減圧工程と、
減圧工程を終え、より高圧状態にある他の吸着塔内からガスを受け入れて吸着塔内を中間圧状態にする均圧(昇圧)工程と、
を順に繰り返すPSA(Pressure Swing Adsorption)サイクルを、3塔以上の吸着塔間で、時期をずらせて順次実行するガス濃縮方法に関する。
これにより、原料ガスとしての炭鉱ガスから、吸着材を用いて空気を分離し、メタンを濃縮して、当該濃縮されたメタンを燃料等として利用できるとされている。
なお、本発明では均圧工程を行う一対の吸着塔のうち、他の塔にガスを移送させて、内部を降圧させる吸着塔に対しては均圧(降圧)工程、他の塔からのガスを受け入れて、内部を昇圧させる吸着塔に対しては均圧(昇圧)工程というように、区別して記述するものとしている。
吸着対象ガスを吸着する吸着材を充填した吸着塔が3塔以上設けられ、
前記吸着塔それぞれについて、
吸着塔下部から吸着対象ガスを含有する原料ガスの供給を受けて、前記吸着材に吸着対象ガスを吸着するとともに、非吸着成分を主成分とする非吸着ガスを吸着塔上部から放出する吸着工程と、
吸着工程を終え、高圧状態にある吸着塔内のガスを、より低圧状態の他の吸着塔に移送して吸着塔内を中間圧状態にする均圧(降圧)工程と、
均圧(降圧)工程により塔内圧力が低下した後、さらに前記吸着材を低圧状態まで減圧して、前記吸着材に吸着された吸着対象ガスを脱着させて吸着塔下部から回収する減圧工程と、
減圧工程を終え、より高圧状態にある他の吸着塔内からガスを受け入れて吸着塔内を中間圧状態にする均圧(昇圧)工程と、
を順に繰り返すPSAサイクルを、前記3塔以上の吸着塔間で、時期をずらせて順次実行するガス濃縮方法であって、
吸着工程を終えた第一の吸着塔に対して均圧(降圧)工程を行う前に、少なくとも均圧(昇圧)工程を終えかつ次に吸着工程を行う第二の吸着塔に対して原料ガスを供給する原料ガス供給状態で、前記第一の吸着塔の上部からの非吸着ガスを当該第二の吸着塔の上部に移送することにより、前記第一の吸着塔において吸着均圧(降圧)工程を行うとともに前記第二の吸着塔において吸着均圧(昇圧)工程を行うステップを含む点にある。
前記原料ガス供給状態が、吸着工程を終えかつ次に均圧(降圧)工程を行う第一の吸着塔、および、均圧(昇圧)工程を終えかつ次に吸着工程を行う第二の吸着塔の両方に、原料ガスを同時に供給する状態である点にある。
前記原料ガス供給状態が、吸着工程を終えかつ次に均圧(降圧)工程を行う第一の吸着塔に原料ガスを供給せずに、均圧(昇圧)工程を終えかつ次に吸着工程を行う第二の吸着塔に対して原料ガスを供給する状態である点にある。
前記吸着塔が4塔以上設けられ、
前記中間圧状態として、吸着塔内圧力の異なる複数の圧力状態が設定され、
前記均圧(降圧)工程として、
高圧状態の吸着塔内のガスを、当該吸着塔より低圧の中間圧状態の他の吸着塔に移送して、吸着塔内の圧力を高圧側の中間圧状態とする高圧側均圧(降圧)工程と、
低圧状態より高圧の中間圧状態の吸着塔内のガスを、低圧状態の他の吸着塔に移送して、吸着塔内の圧力を低圧側の中間圧状態とする低圧側均圧(降圧)工程と、
を含み、
前記均圧(昇圧)工程は、
低圧状態の吸着塔内に、前記高圧側の中間圧状態の吸着塔内のガスを受け入れて、吸着塔内の圧力を低圧側の中間圧状態とする低圧側均圧(昇圧)工程と、
低圧側の中間圧状態の吸着塔内に、高圧状態の他の吸着塔内のガスを受け入れて、吸着塔内の圧力を高圧側の中間圧状態とする高圧側均圧(昇圧)工程と、
を含み、
前記均圧(降圧)工程を行う吸着塔から、前記均圧(昇圧)工程を行う吸着塔へ、吸着塔上部から吸着塔上部にわたってガスを移送するものとしてもよい。
本発明のガス濃縮方法に用いられるガス濃縮装置は、図1に示すように、吸着材A11〜A41を充填した吸着塔A1〜A4と、原料ガスタンクT1からバイオガス(原料ガスの一例)を供給するとともに吸着材A11〜A41に吸着しなかったメタンを回収する供給部L1および回収部L2と、吸着材A11〜A41に吸着したメタン以外の雑ガスを減圧回収する減圧部L3と、供給部L1、回収部L2、減圧部L3の運転を制御する制御装置Cを設けて構成してある。
吸着塔A1〜A4は、それぞれ、吸着材A11〜A41を充填してなる。また、原料ガスタンクT1から供給ポンプP1によりバイオガスを原料ガスとして供給するガス路L11〜L41を各吸着塔A1〜A4の下部に設けて、供給部L1を構成する。吸着塔A1〜A4に供給されたバイオガスから主に窒素、二酸化炭素が吸着対象ガスとして吸着されて非吸着ガスとして濃縮されたメタンを放出するガス路L12〜L42を、各吸着塔A1〜A4の上部に設けて回収部L2を構成してある。このような構成により、供給部L1から吸着塔A1〜A4にバイオガスを供給するとともに、吸着材A11〜A41に吸着されなかった非吸着ガスを回収部L2に排出する。これにより、吸着材A11〜A41に吸着対象ガスを吸着して非吸着ガスと分離可能に構成してある。また、前記吸着塔A1〜A4には、吸着材A11〜A41に吸着された吸着対象ガスを排出するガス路L13〜L43を各吸着塔A1〜A4の下部に設けて、減圧部L3を構成してある。この減圧部L3により、供給部L1から供給されたバイオガスのうち吸着材A11〜A41に吸着され、濃縮後の高濃度の吸着対象ガスを取出し可能に構成する。減圧部L3は、吸着塔A1〜A4からガス路L13〜L43を介して吸着対象ガスを取り出す構成としてある。
さらに、各吸着塔A1〜A4間を接続するガス路L14〜L44を各吸着塔A1〜A4の上部に接続して、吸着塔A1〜A4の上部から吸着塔A1〜A4の上部に吸着塔A1〜A4内部のガスを他の吸着塔A1〜A4に移送する均圧部L4を構成してある。
なお、各ガス路L11〜L44には、切替弁V11〜44を設けてあり、供給ポンプP1の動作により、各吸着塔A1〜A4へのガスの供給、排出、停止の切替を、制御装置Cから一括して制御可能に構成してある。
制御装置Cは、表1に示すように、各切替弁V11〜V44および供給ポンプP1を制御して、各吸着塔A1〜A4において、吸着塔A1について、
吸着塔A1下部からバイオガスの供給を受けて、吸着材A11にメタン以外のガスを吸着するとともに、メタンを主成分とする非吸着ガスを吸着塔A1上部から放出する吸着工程、
吸着工程を終えかつ次に均圧(降圧)工程を行う吸着塔A1に対して原料ガスを供給するとともに、均圧(昇圧)工程を終えかつ次に吸着工程を行う吸着塔A2に対しても同時に原料ガスを供給する原料ガス供給状態で、吸着塔A1の上部からの非吸着ガスを当該吸着塔A2の上部に移送して、吸着塔A1をやや高い高圧状態とする吸着均圧(降圧)工程、
待機工程、
やや高い高圧状態の吸着塔A1内のガスを、当該吸着塔A1より低圧の低圧側の中間圧状態の他の吸着塔A3に移送して、吸着塔A1内の圧力を高圧側の中間圧状態とする高圧側均圧(降圧)工程、
高圧側の中間圧状態の吸着塔A1内の、高圧側均圧(降圧)工程に比べて吸着ガス濃度のやや高められたガスを、低圧状態の他の吸着塔A4に移送して、吸着塔A1内の圧力を低圧側の中間圧状態とする低圧側均圧(降圧)工程、
低圧側均圧(降圧)工程により塔内圧力が低下した後、さらに吸着材A11を低圧状態まで減圧して、吸着材A11に吸着された雑ガスを脱着させて吸着塔A1下部から回収する減圧工程、
低圧状態の吸着塔A1内に、高圧側の中間圧状態の吸着塔A2内のガスを受け入れて、吸着塔A1内の圧力を低圧側の中間圧状態とする低圧側均圧(昇圧)工程、
待機工程、
低圧側の中間圧状態の吸着塔A1内に、やや高い高圧状態の他の吸着塔A3内のガスを受け入れて、吸着塔A1内の圧力を高圧側の中間圧状態とする高圧側均圧(昇圧)工程、
待機工程、
吸着均圧(降圧)工程に対応して、原料ガスおよび高圧状態の吸着塔A4からの非吸着ガスの供給を受け、吸着塔A1をやや高い高圧状態とする吸着均圧(昇圧)工程、
を順に行うように運転制御する。また、他の吸着塔A2〜A4についても位相(時期)をずらせて同様の動作を行うが、説明が重複するので表1の説明をもって詳細な説明を省略する。
表1中○は対応する切替弁V11〜V44が開状態または、対応するポンプP1が作動状態であることを示す。
第一吸着塔A1に、原料ガスタンクT1よりバイオガスを原料ガスとして導入する。このとき第一吸着塔A1内の圧力は、図2に示すようにやや高い高圧状態から高圧状態に昇圧維持されつつ、供給部L1のガス路L11の切替弁V11を介して原料ガスタンクT1から供給されるバイオガス中のメタン以外のガスを第一吸着塔A1の吸着材A11に吸着させ、メタンを回収部L2のガス路L12の切替弁V12を介して排出する。
なお、本実施形態では、図2に示すように、第一吸着塔A1内の圧力変化を圧力の高い方から順に、高圧状態、やや高い高圧状態、高圧側の中間圧状態、低圧側の中間圧状態、低圧状態として説明している。
また、第三吸着塔A3では、<1、2>減圧工程の後、<3>低圧側均圧(昇圧)工程を行っている。
さらに、第四吸着塔A4では、<1>待機工程の後、<2>高圧側均圧(降圧)工程、<3>低圧側均圧(降圧)工程を行っている。
吸着工程を終えた第一吸着塔A1では、高圧側均圧(昇圧)工程を終え次に吸着工程を行う第二吸着塔A2との間で、吸着均圧(降圧)工程を行う。すなわち、第一吸着塔A1では、供給部L1のガス路L11の切替弁V11を介して原料ガスタンクT1からバイオガスの供給を受け、かつ、第二吸着塔A2では、供給部L1のガス路L21の切替弁V21を介して原料ガスタンクT1からバイオガスの供給を受ける原料ガス供給状態で、均圧部L4のガス路L14の切替弁V14を介して、第一吸着塔A1内の非吸着ガスを排出し、均圧部L4のガス路L24の切替弁V24を介して第二吸着塔A2に移送する構成となっている。これにより第一吸着塔A1は、図2に示すように、高圧側の中間圧状態の第二吸着塔A2と圧力平衡が行われ、高圧状態からやや高い高圧状態に移行する。
次に、第一吸着塔A1は待機状態となり、最も長時間を要する吸着工程との時間バランスを図るとともに、やや高い高圧状態が維持される。このとき、第二吸着塔A2は吸着工程を行っており、また、第三吸着塔A3も待機工程にあり、第四吸着塔A4は減圧工程を継続している。
吸着均圧(降圧)工程を終えた第一吸着塔A1では、高圧側均圧(昇圧)工程を行う第三吸着塔A3との間で、高圧側均圧(降圧)工程を行う。すなわち、均圧部L4のガス路L14の切替弁V14を介して、塔内の非吸着ガスを排出し、均圧部L4のガス路L34の切替弁V34を介して第三吸着塔A3に移送する構成となっている。これにより、第一吸着塔A1は、図2に示すように、低圧側の中間圧状態の第三吸着塔A3と圧力平衡が行われ、やや高い高圧状態から高圧側の中間圧状態に移行する。
次に、第一吸着塔A1は、減圧工程を終え低圧側均圧(昇圧)工程を行う第四吸着塔A4との間で、低圧側均圧(降圧)工程を行う。すなわち、均圧部L4のガス路L14の切替弁V14を介して、塔内の非吸着ガスおよび吸着材A11からの空気を主成分とする初期脱離ガスを排出し、均圧部L4のガス路L44の切替弁V44を介して第四吸着塔A4に移送する構成となっている。これにより、第一吸着塔A1は、図2に示すように、減圧工程を終えて低圧状態の第四吸着塔A4と圧力平衡が行われ、高圧側の中間圧状態から低圧側の中間圧状態に移行する。
低圧側の中間圧状態に達した第一吸着塔A1は、塔内の吸着材A11に高濃度の雑ガスを吸着している状態になっており、塔内を低圧側の中間圧状態から低圧状態にまで減圧する減圧工程を行うことにより、吸着材A11に吸着された高濃度の吸着対象ガス(雑ガス)を排出する。すなわち、減圧部L3のガス路L13の切替弁V13を介して吸着対象ガスを取り出す。これにより、第一吸着塔A1は、図2に示されるように、低圧側の中間圧状態から低圧状態に移行する。
したがって、この減圧工程を行う際の第一吸着塔A1内の圧力をより低くすることができ、減圧工程を行う際に、第一吸着塔A1内に残存する非吸着ガスの量を減少させることができる。すなわち、減圧工程において吸着塔A1の内部から廃棄される精製対象ガスを含有している非吸着ガスのガス量は、低圧側の中間圧状態において第一吸着塔A1内に残存している非常に少量の非吸着ガスのみとなる。このため、本実施形態では、減圧工程において、廃棄される非吸着ガス量は、均圧吸着工程およびその他の均圧工程を全く行わない場合に対して4分の1になる。これは、従来、均圧工程を1サイクルに四度(高圧側の均圧(昇圧)工程および均圧(降圧)工程、低圧側の均圧(昇圧)工程および均圧(降圧)工程を、それぞれ一度ずつ)行っていた場合には廃棄される非吸着ガス量が、均圧工程を全く行わない場合に対して3分の1であったのと比較して、大きく減少させることができており、非吸着ガスの回収率という観点から非常に有効な構成であることが理解できる。
また、第三吸着塔A3では、<8>吸着均圧(昇圧)工程の後、<9、10>吸着工程に移行している。
さらに、第四吸着塔A4では<8、9>待機工程の後、<10>高圧側均圧(昇圧)工程に移行する。
低圧状態となって、吸着した雑ガスを放出し、吸着材A11を再生された第一吸着塔A1では、第二吸着塔A2との間で低圧側均圧(昇圧)工程を行うことにより、塔内の圧力を回復するとともに、第二吸着塔A2における低圧側均圧(降圧)工程で排出された、吸着材A21からの初期脱離ガスによりメタン濃度の高められた排ガスを受け入れる。すなわち、均圧部L4のガス路L14、L24において、切替弁V14、V24を介して高圧側の中間圧状態の第二吸着塔A2から排出される塔内ガスを受け入れる。これにより第一吸着塔A1は、図2に示すように、低圧状態から低圧側の中間圧状態にまで圧力を回復する。
次に第一吸着塔A1は待機状態になるとともに、低圧側の中間圧状態が維持される。
なお、この時、第二吸着塔A2では<12、13>減圧工程を行い、第三吸着塔A3では、<12>吸着均圧(降圧)工程から<13>待機工程に移行し、第四吸着塔A4では、<12>吸着均圧(昇圧)工程ののち、<13>吸着工程に移行する。
低圧側の中間圧状態にまで圧力を回復した第一吸着塔A1は、吸着均圧(降圧)工程を終えて高圧側均圧(降圧)工程を行う第三吸着塔A3との間で高圧側均圧(昇圧)工程を行うことにより、さらに塔内の圧力の回復を図る。すなわち、均圧部L4のガス路L14、L34において、切替弁V14、V34を介して、やや高い高圧状態の第三吸着塔A3から排出される塔内ガスを受け入れる。これにより第一吸着塔A1は、図2に示すように、低圧側の中間圧状態から高圧側の中間圧状態にまで圧力を回復する。
次に、第一吸着塔A1は待機状態となり、最も長時間を要する吸着工程との時間バランスを図るとともに、高圧側の中間圧状態が維持される。このとき、第二吸着塔A2は第三吸着塔A3との間で低圧側均圧(昇圧)工程を行っており、また、第三吸着塔A3は対応する低圧側均圧(降圧)工程を行っている。また、第四吸着塔A4は吸着工程を継続している。
次に、第一吸着塔A1は、吸着工程を終えかつ均圧(降圧)工程を行う前の第四吸着塔A4との間で、吸着均圧(昇圧)工程を行う。すなわち、第一吸着塔A1では、供給部L1のガス路L11の切替弁V11を介して原料ガスタンクT1からバイオガスの供給を受け、かつ、第四吸着塔A4では、供給部L1のガス路L41の切替弁V41を介して原料ガスタンクT1からバイオガスの供給を受ける原料ガス供給状態で、第四吸着塔A4からの非吸着ガスを均圧部L4のガス路L14、L44の切替弁V14、V44を介して第一吸着塔A1に受け入れる吸着均圧(昇圧)工程を行う。この時、第二吸着塔A2では待機工程、第三吸着塔A3では減圧工程を行う。これにより、第一吸着塔A1は、図2に示すように、高圧側の中間圧状態からやや高い高圧状態にまで圧力を回復する。
<1、5、9、13> 132秒
<2、6、10、14> 6秒
<3、7、11、15> 6秒
<4、8、12、16> 1秒
の時間バランスで各ステップを進行している。
上記実施形態に示すように、下記吸着塔A1〜A4を4本用意し、その内部に下記吸着材A11〜A41を充填して、それぞれの吸着塔A1〜A4を図1に示すように配管接続したメタン濃縮装置を用意した。このメタン濃縮装置に、模擬バイオガスを25.1L/分で供給し、下記運転条件にて、表1、図2のメタンガスの濃縮運転を行った。
:4本
MP法によって細孔分布を測定した場合の細孔径分布が、細孔径0.38nm以上において、その細孔径における細孔容積(V0.38)が0.05cm3/g程度、細孔径0.34nmにおける細孔容積(V0.34)が0.20〜0.23cm3/gであるモレキュラーシーブカーボン
:二酸化炭素 40%
:窒素 0.6%
温度:55℃
流速:25.1L/分
ガス吸着圧力(ゲージ圧力): 0.75MPa
ガス脱着圧力(ゲージ圧力): 0.1kPa
吸着工程の終了条件:吸着工程開始より145秒経過時
本発明のメタン濃縮方法の性能を評価するために、吸着均圧(昇圧)工程、吸着均圧(降圧)工程を行わないPSAタイムサイクルを用いてガス濃縮運転を行った。具体的には図1のガス濃縮装置を用いて表2に示すタイムサイクルでメタン濃縮運転を行った。なお、表2において、表1と同じ工程名を用いた工程は実施例と同様であるので、説明を省略するが、吸着均圧(昇圧)工程に代えて、吸着工程を行っており、吸着均圧(降圧)工程に代えて待機工程を行っている。
<1+2、5+6、9+10、13+14> 142秒
<3、7、11、15> 6秒
<4、8、12、16> 6秒
吸着終了条件:吸着開始から154秒
として、実施例との均衡を図っている。
上述の実施形態では、
前記第一吸着塔A1が<4>吸着均圧(降圧)工程を行うステップにおいて、吸着工程を終えかつ次に均圧(降圧)工程を行う第一の吸着塔A1、および、均圧(昇圧)工程を終えかつ次に吸着工程を行う第二の吸着塔A2の両方に、原料ガスを同時に供給することにより、前記第二の吸着塔A2を原料ガス供給状態としたが、
吸着工程を終えかつ次に均圧(降圧)工程を行う第一の吸着塔A1に原料ガスを供給せずに、均圧(昇圧)工程を終えかつ次に吸着工程を行う第二の吸着塔A2に対して原料ガスを供給することにより、前記第二の吸着塔A2を原料ガス供給状態とすることもできる。
制御装置Cは、表3に示すように、各切替弁V11〜V44および供給ポンプP1を制御して、各吸着塔A1〜A4において、吸着塔A1について、
吸着塔A1下部からバイオガスの供給を受けて、吸着材A11にメタン以外のガスを吸着するとともに、メタンを主成分とする非吸着ガスを吸着塔A1上部から放出する吸着工程、
吸着工程を終えかつ次に均圧(降圧)工程を行う吸着塔A1に対して原料ガスを供給せずに、均圧(昇圧)工程を終えかつ次に吸着工程を行う吸着塔A2に対して原料ガスを供給する原料ガス供給状態で、吸着塔A1の上部からの非吸着ガスを当該吸着塔A2の上部に移送して、吸着塔A1をやや高い高圧状態とする吸着均圧(降圧)工程、
待機工程、
やや高い高圧状態の吸着塔A1内のガスを、当該吸着塔A1より低圧の低圧側の中間圧状態の他の吸着塔A3に移送して、吸着塔A1内の圧力を高圧側の中間圧状態とする高圧側均圧(降圧)工程、
高圧側の中間圧状態の吸着塔A1内の、高圧側均圧(降圧)工程に比べて吸着ガス濃度のやや高められたガスを、低圧状態の他の吸着塔A4に移送して、吸着塔A1内の圧力を低圧側の中間圧状態とする低圧側均圧(降圧)工程、
低圧側均圧(降圧)工程により塔内圧力が低下した後、さらに吸着材A11を低圧状態まで減圧して、吸着材A11に吸着された雑ガスを脱着させて吸着塔A1下部から回収する減圧工程、
低圧状態の吸着塔A1内に、高圧側の中間圧状態の吸着塔A2内のガスを受け入れて、吸着塔A1内の圧力を低圧側の中間圧状態とする低圧側均圧(昇圧)工程、
待機工程、
低圧側の中間圧状態の吸着塔A1内に、やや高い高圧状態の他の吸着塔A3内のガスを受け入れて、吸着塔A1内の圧力を高圧側の中間圧状態とする高圧側均圧(昇圧)工程、
待機工程、
吸着均圧(降圧)工程に対応して、原料ガスおよび高圧状態の吸着塔A4からの非吸着ガスの供給を受け、吸着塔A1を高圧側の中間圧状態からやや高い高圧状態とする吸着均圧(昇圧)工程、
を順に行うように運転制御する。また、他の吸着塔A2〜A4についても位相(時期)をずらせて同様の動作を行うが、説明が重複するので表3の説明をもって詳細な説明を省略する。
表3中○は対応する切替弁V11〜V44が開状態または、対応する供給ポンプP1が作動状態であることを示す。
吸着工程を終え次に均圧(降圧)工程を行う第一吸着塔A1では、高圧側均圧(昇圧)工程を終え次に吸着工程を行う第二吸着塔A2との間で、吸着均圧(降圧)工程を行う。すなわち、第一吸着塔A1では原料ガスタンクT1からのバイオガスの供給を受けずに、第二吸着塔A2では供給部L1のガス路L21の切替弁V21を介して原料ガスタンクT1からのバイオガスの供給を受ける原料ガス供給状態で、均圧部L4のガス路L14の切替弁V14を介して、第一吸着塔A1内の非吸着ガスを排出し、均圧部L4のガス路L24の切替弁V24を介して第二吸着塔A2に移送する構成となっている。これにより第一吸着塔A1は、図2に示すように、高圧側の中間圧状態の第二吸着塔A2と圧力平衡が行われ、高圧状態からやや高い高圧状態に移行する。
次に、高圧側均圧(昇圧)工程を終え次に吸着工程を行う第一吸着塔A1では、吸着工程を終え次に高圧側均圧(降圧)工程を行う第四吸着塔A4との間で、吸着均圧(昇圧)工程を行う。すなわち、第四吸着塔A4では原料ガスタンクT1からのバイオガスの供給を受けずに、第一吸着塔A1では供給部L1のガス路L11の切替弁V11を介して原料ガスタンクT1からバイオガスを受け入れる原料ガス供給状態で、均圧部L4のガス路L14、L44の切替弁V14、V44を介して、第四吸着塔A4内の非吸着ガスを排出し、均圧部L4のガス路L44の切替弁V44を介して第一吸着塔A1に移送する構成となっている。これにより第一吸着塔A1は、図2に示すように、高圧状態の第四吸着塔A4と圧力平衡が行われ、高圧側の中間圧状態からやや高い高圧状態に移行する。この時第二吸着塔A2では待機工程、第三吸着塔A3では減圧工程を行う。
このタイムサイクルを行って、実施例と同様にガス濃縮を行ったところ、製品ガスとしてメタン濃度98.2体積%のメタンを12.3L/分で得ることができ、回収率は81.7%であった。
上述の実施形態では、いずれも吸着塔を4塔用いた例を用いて本発明を説明したが、吸着塔を3塔用いた場合(図3)であっても、同様に本願のガス濃縮方法を実施することができる。なお、図3について、図1の構成と共通する構成、機能を有する部分については、同様の符号を付することによって、詳細な説明は省略する。また、5塔以上用いた場合であっても、同様に本願のガス濃縮方法を実施することができるが、3塔、4塔の構成例に基づき自明であるので説明は省略する。
吸着塔A1下部から原料ガスの供給を受けて、前記吸着材A11にメタン以外のガスを吸着するとともに、メタンを主成分とする非吸着ガスを吸着塔A1上部から放出する吸着工程、
吸着工程を終えた第一の吸着塔A1に対して均圧(降圧)工程を行う前に、少なくとも均圧(昇圧)工程を終えかつ次に吸着工程を行う第二の吸着塔A2に対して原料ガスを供給し、前記第一の吸着塔A1の上部からの非吸着ガスを当該第二の吸着塔A2の上部に移送することにより、前記吸着塔A1をやや高い高圧状態とする吸着均圧(降圧)工程、
ここで、第二の吸着塔A2は原料ガス供給状態であるが、第一の吸着塔A1が原料供給状態かどうかについては、いずれでも構わない(表4中△で示す)。
待機工程、
やや高い高圧状態の吸着塔A1内のガスを、当該吸着塔A1より低圧状態の他の吸着塔A3に移送して、吸着塔A1内の圧力を中間圧状態とする均圧(降圧)工程、
均圧(降圧)工程により塔内圧力が低下した後、さらに前記吸着材A11を低圧状態まで減圧して、前記吸着材A11に吸着されたメタン以外のガスを脱着させて吸着塔A1下部から回収する減圧工程、
低圧状態の吸着塔A1内に、前記中間圧状態の吸着塔A2内のガスを受け入れて、吸着塔A1内の圧力を中間圧状態とする均圧(昇圧)工程、
吸着塔A3の吸着均圧(降圧)工程に対応して、原料ガスおよび高圧状態の吸着塔A3からの非吸着ガスの供給を受け、吸着塔A1をやや高い高圧状態とする吸着均圧(昇圧)工程、
を順に行うように運転制御する。また、他の吸着塔A2〜A3についても位相(時期)をずらせて同様の動作を行うことができる。
なお、本実施形態では、図4に示すように、第一吸着塔A1内の圧力変化を圧力の高い方から順に、高圧状態、やや高い高圧状態、中間圧状態、低圧状態として説明している。
上述の実施形態における吸着均圧工程に代え、
吸着工程を終えかつ次に均圧(降圧)工程を行う第一の吸着塔A1に原料ガスを供給せずに、かつ、均圧(昇圧)工程を終えかつ次に吸着工程を行う第二の吸着塔A2に対して原料ガスを供給せずに、第一の吸着塔A1と第二の吸着塔A2との間で均圧工程(以下供給停止均圧工程と呼ぶ)のみを行った場合について検討した。
制御装置Cは、表5に示すように、各切替弁V11〜V44および供給ポンプP1を制御して、各吸着塔A1〜A4において、吸着塔A1について、
吸着塔A1下部からバイオガスの供給を受けて、吸着材A11にメタン以外のガスを吸着するとともに、メタンを主成分とする非吸着ガスを吸着塔A1上部から放出する吸着工程、
吸着工程を終えかつ次に均圧(降圧)工程を行う吸着塔A1に対して原料ガスを供給せずに、均圧(昇圧)工程を終えかつ次に吸着工程を行う吸着塔A2に対しても原料ガスを供給しない状態で、吸着塔A1の上部からの非吸着ガスを当該吸着塔A2の上部に移送して、吸着塔A1をやや高い高圧状態とする供給停止均圧(降圧)工程、
待機工程、
やや高い高圧状態の吸着塔A1内のガスを、当該吸着塔A1より低圧の低圧側の中間圧状態の他の吸着塔A3に移送して、吸着塔A1内の圧力を高圧側の中間圧状態とする高圧側均圧(降圧)工程、
高圧側の中間圧状態の吸着塔A1内の、高圧側均圧(降圧)工程に比べて吸着ガス濃度のやや高められたガスを、低圧状態の他の吸着塔A4に移送して、吸着塔A1内の圧力を低圧側の中間圧状態とする低圧側均圧(降圧)工程、
低圧側均圧(降圧)工程により塔内圧力が低下した後、さらに吸着材A11を低圧状態まで減圧して、吸着材A11に吸着された雑ガスを脱着させて吸着塔A1下部から回収する減圧工程、
低圧状態の吸着塔A1内に、高圧側の中間圧状態の吸着塔A2内のガスを受け入れて、吸着塔A1内の圧力を低圧側の中間圧状態とする低圧側均圧(昇圧)工程、
待機工程、
低圧側の中間圧状態の吸着塔A1内に、やや高い高圧状態の他の吸着塔A3内のガスを受け入れて、吸着塔A1内の圧力を高圧側の中間圧状態とする高圧側均圧(昇圧)工程、
待機工程、
吸着均圧(降圧)工程に対応して、高圧状態の吸着塔A4からのガスの供給を受け、吸着塔A1を高圧側の中間圧状態からやや高い高圧状態とする供給停止均圧(昇圧)工程、を順に行うように運転制御する。また、他の吸着塔A2〜A4についても位相(時期)をずらせて同様の動作を行うが、説明が重複するので表5の説明をもって詳細な説明を省略する。
なお、本参考形態では、吸着塔A1内の圧力変化を圧力の高い方から順に、高圧状態、やや高い高圧状態、高圧側の中間圧状態、低圧側の中間圧状態、低圧状態として説明している。
表5中○は対応する切替弁V11〜V44が開状態または、対応する供給ポンプP1が作動状態であることを示す。
吸着工程を終え次に均圧(降圧)工程を行う第一吸着塔A1では、高圧側均圧(昇圧)工程を終え次に吸着工程を行う第二吸着塔A2との間で、供給停止均圧(降圧)工程を行う。すなわち、第一吸着塔A1では原料ガスタンクT1からのバイオガスの供給を受けずに、第二吸着塔A2においても原料ガスタンクT1からバイオガスを受け入れない状態で、均圧部L4のガス路L14の切替弁V14を介して、第一吸着塔A1内の非吸着ガスを排出し、均圧部L4のガス路L24の切替弁V24を介して第二吸着塔A2に移送する構成となっている。これにより第一吸着塔A1は、図2に示すように、高圧側の中間圧状態の第二吸着塔A2と圧力平衡が行われ、高圧状態からやや高い高圧状態に移行する。
次に、高圧側均圧(昇圧)工程を終え次に吸着工程を行う第一吸着塔A1では、吸着工程を終え次に高圧側均圧(降圧)工程を行う第四吸着塔A4との間で、供給停止均圧(昇圧)工程を行う。すなわち、第四吸着塔A4では原料ガスタンクT1からのバイオガスの供給を受けずに、第一吸着塔A1においても供給部L1のガス路L11の切替弁V11を介して原料ガスタンクT1からバイオガスを受け入れない状態で、均圧部L4のガス路L14、L44の切替弁V14、V44を介して、第四吸着塔A4内の非吸着ガスを排出し、均圧部L4のガス路L44の切替弁V44を介して第一吸着塔A1に移送する構成となっている。これにより第一吸着塔A1は、図2に示すように、高圧状態の第四吸着塔A4と圧力平衡が行われ、高圧側の中間圧状態からやや高い高圧状態に移行する。この時第二吸着塔A2では待機工程、第三吸着塔A3では減圧工程を行う。
このタイムサイクルを行って、ガス濃縮を行ったところ、製品ガスとしてメタン濃度98.3体積%のメタンを12.3L/分で得ることができ、回収率は80.9%であった。
<1、5、9、13> 131秒
<2、6、10、14> 6秒
<3、7、11、15> 6秒
<4、8、12、16> 1秒
吸着終了条件:吸着開始から143秒
として、実施例との均衡を図っている。
A11〜A41:吸着材
C :制御装置
L1 :供給部
L2 :回収部
L3 :減圧部
L4 :均圧部
L11〜L44:ガス路
P1 :供給ポンプ
T1 :原料ガスタンク
V11〜V44:切替弁
Claims (6)
- 吸着対象ガスを吸着する吸着材を充填した吸着塔が3塔以上設けられ、
前記吸着塔それぞれについて、
吸着塔下部から吸着対象ガスを含有する原料ガスの供給を受けて、前記吸着材に吸着対象ガスを吸着するとともに、非吸着成分を主成分とする非吸着ガスを吸着塔上部から放出する吸着工程と、
吸着工程を終え、高圧状態にある吸着塔内のガスを、より低圧状態の他の吸着塔に移送して吸着塔内を中間圧状態にする均圧(降圧)工程と、
均圧(降圧)工程により塔内圧力が低下した後、さらに前記吸着材を低圧状態まで減圧して、前記吸着材に吸着された吸着対象ガスを脱着させて吸着塔下部から回収する減圧工程と、
減圧工程を終え、より高圧状態にある他の吸着塔内からガスを受け入れて吸着塔内を中間圧状態にする均圧(昇圧)工程と、
を順に繰り返すPSAサイクルを、前記3塔以上の吸着塔間で、時期をずらせて順次実行するガス濃縮方法であって、
吸着工程を終えた第一の吸着塔に対して均圧(降圧)工程を行う前に、少なくとも均圧(昇圧)工程を終えかつ次に吸着工程を行う第二の吸着塔に対して原料ガスを供給する原料ガス供給状態で、前記第一の吸着塔の上部からの非吸着ガスを当該第二の吸着塔の上部に移送することにより、前記第一の吸着塔において吸着均圧(降圧)工程を行うとともに前記第二の吸着塔において吸着均圧(昇圧)工程を行うステップを含む
ガス濃縮方法。 - 前記原料ガス供給状態が、吸着工程を終えかつ次に均圧(降圧)工程を行う第一の吸着塔、および、均圧(昇圧)工程を終えかつ次に吸着工程を行う第二の吸着塔の両方に、原料ガスを同時に供給する状態である請求項1に記載のガス濃縮方法。
- 前記原料ガス供給状態が、吸着工程を終えかつ次に均圧(降圧)工程を行う第一の吸着塔に原料ガスを供給せずに、均圧(昇圧)工程を終えかつ次に吸着工程を行う第二の吸着塔に対して原料ガスを供給する状態である請求項1に記載のガス濃縮方法。
- 前記吸着塔が4塔以上設けられ、
前記中間圧状態として、吸着塔内圧力の異なる複数の圧力状態が設定され、
前記均圧(降圧)工程として、
高圧状態の吸着塔内のガスを、当該吸着塔より低圧の中間圧状態の他の吸着塔に移送して、吸着塔内の圧力を高圧側の中間圧状態とする高圧側均圧(降圧)工程と、
低圧状態より高圧の中間圧状態の吸着塔内のガスを、低圧状態の他の吸着塔に移送して、吸着塔内の圧力を低圧側の中間圧状態とする低圧側均圧(降圧)工程と、
を含み、
前記均圧(昇圧)工程は、
低圧状態の吸着塔内に、前記高圧側の中間圧状態の吸着塔内のガスを受け入れて、吸着塔内の圧力を低圧側の中間圧状態とする低圧側均圧(昇圧)工程と、
低圧側の中間圧状態の吸着塔内に、高圧状態の他の吸着塔内のガスを受け入れて、吸着塔内の圧力を高圧側の中間圧状態とする高圧側均圧(昇圧)工程と、
を含み、
前記均圧(降圧)工程を行う吸着塔から、前記均圧(昇圧)工程を行う吸着塔へ、吸着塔上部から吸着塔上部にわたってガスを移送する請求項1〜3のいずれか一項に記載のガス濃縮方法。 - 前記原料ガスが、炭鉱ガス、バイオガス、改質ガス、天然ガスから選ばれる一種のガスを主成分とするものであり、精製対象ガスがメタンである請求項1〜4のいずれか一項に記載のガス濃縮方法。
- 前記吸着材は、活性炭、モレキュラーシーブカーボン、ゼオライト、多孔性の金属錯体から選択される少なくとも一種を主成分として含有する請求項1〜5のいずれか一項に記載のガス濃縮方法。
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