WO2009116671A1

WO2009116671A1 - 高炉ガスの分離方法および装置

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Publication number: WO2009116671A1
Application number: PCT/JP2009/055718
Authority: WO
Inventors: 中川二彦; 茂木康弘; 原岡たかし; 岸本啓; 斉間等; 坂井至; 三宅正訓; 高田吉則; 住田俊彦
Original assignee: Ｊｆｅスチール株式会社; 住友精化株式会社
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2009-09-24
Also published as: CN101978235A; KR101501815B1; KR101388266B1; KR20120099485A; EP2253915A1; BRPI0910303A2; CN101978235B; KR20120099484A; BRPI0910303B1; KR20100122093A; EP2253915A4; TWI421345B; EP2253915B1; TW201006932A; KR101205078B1

Abstract

高炉から排出される高炉ガスを二段のガス分離精製装置を用いて各種成分を含むガス毎に分離する。高炉ガスを、まず一段目のガス分離精製装置によって、H₂、N₂および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、N₂および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、N₂、CO、CO₂および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、CO、CO₂および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、に分離する。次に、これらの分離ガスのうち、CO、CO₂および不可避的不純物ガス成分からなるガスを、二段目のガス分離精製装置によって、COおよび不可避的不純物ガス成分からなるガスと、CO₂および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、CO、CO₂および不可避的不純物ガス成分からなるガスとに分離する。

Description

明細書高炉ガスの ^ t*¾およ Ό¾置

«分野

本発明は、高炉から排出される高炉ガスを分 i る方法および装置に関するものである。背景 «

製鉄所においては、コークス炉、高炉、転炉などの設備から副生ガスと呼ばれるガスが発生する。この副生ガスは、その大部分が発 ¾ ίや加熱炉など、燃焼によって発生する熱を利用する用途に使用されている。し力し、水素、一酸化炭素、メタンなどの燃料として使用することができる成分のほかに、窒素、二酸ィ! ^素などの不活性成分を含んでいるために、一般的な燃料ガスであるプロパンガスや天然ガスに比べて、単位体積あたりの熱量が 7 0 0〜 4 5 0 O kcal/ m³と低いことが問題となっている。特に、高炉ガスの単位あたりの熱量は 7 0 O kcal/Mn³程度と、副生ガスの熱量の中で最も低い部類に属する。

この理由は、高炉ガスには、水素、一酸化炭素、メタンなどの燃料成分が少ない上に、これらの燃料成分が燃焼することによつて発生する熱量が、不活舰分である窒素や二酸化炭素の温度上昇に使われることによるものである。ちなみに高炉ガスに含まれる窒素は 5 2〜 6 0 i %n . 二酸化炭素は 1 9〜 2 4 である。

また、最近では、地球環境保全の問題から、二酸化炭素排出量の削減が強く望まれており、高炉ガスから二酸化炭素を分離 ·回収することも大きなとなっている。

このため、これらの不活性成分を除去する方法に関して、いくつかの提案がなされている。特開昭 6 1— 2 8 4 4 6号公報には、高炉ガスなどの窒素、一酸化炭素、 .二酸化炭素を含むガスから一酸化炭素を分離した後のガスを燃媒の下で燃焼させることにより、残存する微量の燃料ガスおよび酸素を除去し、窒素及び二酸化炭素を分とする不活性ガスを回収する方法が提案されている。また、この不活性ガスから二酸イ^素を分離し、高の窒素を得る方法も提案されている。

特開昭 6 2— 1 9 3 6 2 2号公報には、高炉ガス中の二酸化炭素を吸着するアルミナ系吸着剤と、窒素を吸着するための多孔性ポリスチレンとを一基の吸着塔内に充填し、吸着塔内を加圧およびすることにより、一酸化炭素および水素を比較的多く含むガスを得ることができる圧力変動式吸着分»式が提案されている。特開 2004— 292298号公報には、高炉ガスをはじめとする副生ガスから化学吸収液で二酸化炭素を吸収後、化学吸収液を加熱して二酸化炭素を分離する方法力 S提案されてレ、る。

しかしながら、上記した従来技術はそれぞれ、以下に示すようなを有しており、いずれも実用化には至っていない。

特開昭 61 -28446号公報の方法では、高炉ガスから一酸化炭素を分離した後のガス中にも、の一酸化炭素と水素のほぼ^ *が依然として残存している。これらは、燃料として利用できるほどの熱量を持つガスでないため、分離器の後段に設けられた燃において完^焼されて廃棄されている。しかしながら、その熱量は、高炉ガスが有している全熱量の 5%に相当することから、一酸化炭素の分離率を向上させ、て水素も分離し、分離後のガス中に残存する一酸化炭素や水素の量を低減することが望まれてレ、た。

特開昭 62_ 1 93622号公報の方法では、一酸化炭素および水素の分離率が 80%を超えておらず、残る 20%¾gの一酸化炭素および水素を含むガスは、二酸化炭素や窒素も多く含み、燃焼させても大きな熱量を得ることができないため、利用されないことも多かった。特開 2004— 292298号公報の方法では、高炉ガス中の濃度が 20%程度の二酸化炭素のみの分離であり、分離後の残りのガス中には依然として窒素を多く含むことから、燃焼させたときの熱量改善は 25%¾¾にすぎなかった。

また、いずれの方法も、分離操作には多大なエネルギーを要するところにも課題を残していた。特開昭 61—28446号公報に示された方法では、吸収液を再生するために、吸収液を 100〜15(«：に加熱する、あるいは吸収液の入った容器を ί¾£するエネルギーが、特開昭 62-193622号公報に示された方法では、吸着塔内を、一酸化炭素および水素の吸着時には 2 atmに加圧し、吸着した一酸化炭素および水素の脱着時には 0. latmに ¾Eするエネルギ一が、特開 2004— 292298号公報に示された方法では、吸収液を 120でに加熱して再生するためのエネルギーがそれぞれ必要であった。これらのエネルギーを、製鉄所内で発生する廃熱の再利用によって賄うことも行われているが、必ずしも十分ではなかった。このように、製鉄所で発生する副生ガスから、二酸化炭素や窒素の不活性成分を分離して、分離後の残りのガスの熱量を増加させて燃料ガスとして再利用することは、省エネルギーに貢献することはもちろんのこと、二酸化炭素排出量削減の観点からも重要である。しかしながら、その実用化には、燃料成分となる一酸化炭素や水素の回収率の向上や、分離操作に必要なエネルギーの削減などのコスト面での問題が残っていた。特開平 9一 4 7 6 3 4号公報は、ァミン類を用いた化学吸収法で二酸化炭素を回収する方法を開示している。しかし、化学吸収法では不燃性ガス中で最大の比率を占める窒素が未除去のため、処理されたガスの大幅な発熱量の上昇は見込めない。窒素は性に乏しい不活性ガスであるので、化学的な処理方法で窒素を分離するのは基本的に困難であり、他の分離方法を検 f する必要がある。

物理吸着を用いてガスを分離する手法としては、圧力変動吸着式ガス分離法（P S A法）がある。こ'の P S A法は、吸着剤に対する吸着容量がガス種によって異なることを利用して、目的ガスを濃縮-分離する技術である。 P S A法によるガス分離では、所定成分を優先的に吸着するための吸着剤が充填された吸着塔を具備する P S Aガス分離装置が用いられ、吸着塔において、少なくとも吸着工程および脱着工程が亍される。吸着工程では、吸着塔に混合ガスを導入して当該混合ガス中の易吸着成分を高圧条件下で吸着剤に吸着させ、難吸着成分が濃縮された非吸着ガスを吸着塔から導出する。脱着工程では、塔内圧力を降下させて易吸着成分を吸着剤から脱着させ、当該易吸着成分を主に含む脱着ガスを吸着塔から導出する。

P S A法では、一般に、取得目的のガスは難吸着成分または易吸着成分のいずれか 1種であり、複数のガス種のそれぞれにつレ、て高レ、濃縮率と高レ、回収率を目指して取得することは困難であると考えられる。例えば、難吸着成分について濃縮率および回収率を高くするためには、吸着剤の破過が始まる前に吸着工程を終了する必要があり、この時点で吸着剤には易吸着成分が十分に吸着されていない。したがって、この、易吸着成分を取得するために脱着ガスを回収しても、易吸着成分の濃縮率および回収率は比較的に低くなる。一方、易吸着成分について濃縮率および回収率を高くするためには、吸着剤が十分に破過するまで吸着工程をする必要があり、吸着工程の終了間際に吸着塔から導出される非吸着ガスは、もとの混合ガスに近い糸！^である。したがって、この、難吸着成分を取得するために非吸着ガスを回収しても、難吸着成分の濃縮率は比較的に低くなる。

P S A法によって二酸化炭素を分離取得するには、一般に、吸着剤として二酸化炭素に -rる吸着容量の大きいものが用いられ、例えば活^が好適に用いられる。活^に対する水素の吸着容量は二酸化炭素に比べて極端に小さいことが知られており、吸着剤として活性炭を用いる場合、二酸化炭素は易吸着成分になり、水素は難吸着成分になる。

したがって、二酸化炭素の濃縮率および回収率を高めようとすると、 ±3ίの理由により水素の濃縮率は低くなつてしまう。このように、 1段の P S Α操作によって複数の目的ガスを個別に濃縮 ·分離することは困難であった。特に、目的ガスを二酸化炭素および水素とする高炉ガスを分 Sf¾*とする^"、水素濃度は 2〜6 %と «度であるので、二酸化炭素を濃縮 ·分離しつつ水素を濃縮回収することはさらに困難であった。発明の開示

本発明は、高炉ガスから効率よく一酸化炭素や水素を回収して、 «として再利用するのに十分な熱量をもつ燃料ガスを安価に得ることができる、高炉ガスの分離 !¾·法および装置を赚することを目的とする。

上記目的を達成するために、以下の高炉ガスの分離方法及び装置を提供する。

[ 1 ]. 高炉から排出される高垆ガスを二段のガス分離精 S¾置を用いて各分を含むガス毎に分離するに際し、

高炉ガスを、まず一段目のガス分離精製装置によって、

水素、窒素およぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスと、

窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、

窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスとに分離し、次に、これらの分離ガスのうち、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを、二段目のガス分離精製装置によって、

一酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、

二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、

一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスとに分離する、ことをとする、高炉ガスの分 »法。

[ 2 ]· MIS—段目のガス分離精 MS置が、高炉ガス中に含まれる成分である窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および水素のうち、一酸化炭素と二酸化炭素を吸着する物質を充填した吸着分 Βί¾置であり、一方、前記二段目のガス分離精製装置が、該高炉ガス中の成分のうち、二酸化炭素を吸着する物質を充填した吸着分 «置であることを 115 [とする、 [1]に記載の高炉ガスの分離方法。 [3]. ttif己一段目のガス分離精難置が、高炉ガス中に含まれる成分である窒素、一酸化炭素、二酸 ί (^素および水素のうち、一酸化炭素と二酸化炭素を吸着する物質を充填した吸着分 β置であり、 ttns ^目のガス分離精難置が、二酸化炭素を吸収によつて分離する化学的吸 Jl¾¾置であることをとする、 [1]に記載の高炉ガスの分離方法。

[4]. 前記一段目のガス分離精製装置で分離した水素、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを、水素 ¾ii膜ある、は水素以外の成分を吸着する吸着剤を配置した H¾目のガス分離精製装置に導き、窒素、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスから、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、窒素おょぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスとに分離することを mとする、 [ 1 ]乃至 [3]のいずれかに記載の高炉ガスの分離方法。

[5]· 前記水素以外の成分を吸着する吸着剤によって、水素、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスから、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを分離する際、前記三段目のガス分離精 M¾置内を ¾1£する脱気操作、

前記三段目のガス分離精 β置の入口側から水素による洗浄操作または

前記三段目のガス分離精製装置の出口側から水素による逆洗浄操作、

によって水素以外の成分を吸着した吸着剤を脱着処理することを,とする [4]に記載の高炉ガスの分離方法。

[6]· tiilE—段目のガス分離精置によって分離された、窒素、ー酸ィ [^素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを、再度、一段目のガス分離精製装置に供給することを »とする、 [ 1 ]乃至 [ 5 ]のレ、ずれ力、に記載の高炉ガスの分離方法。

[7]. MIE—段目のガス分離精難置によって分離された、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスのうち、窒素の含有量がガス全体の 40体積％以下であるガスを製の燃料ガスとして回収することをとする、 [6]に記載の高炉ガスの分 »法。 [ 8 ]. Ιίίϊ己一段目のガス分離精 β置によって分離された、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを、再度、一段目のガス分離精製装置に供給することを mとする、 [ 1 ]

〜 [ 7 ]のレ、ずれかに記載の高炉ガスの分離方法。

[ 9 ]. 二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスを分離するための方法であつて、

二酸ィ匕炭素を優先的に吸着するための第 1の吸着剤が充填された第 1の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第 1の吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高. 炉ガス中の二酸化炭素を上記第 1の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第 1の非吸着ガスを導 ώする第 1の吸着工程、および上記第 1の吸着剤から二酸化炭素を脱着させてへ脱着ガスを導出する第 1の脱着工程を含むサイクルを繰り返し行う第 1の圧力変動吸着式ガス分離工程と、

一酸化炭素を優先的に吸着するための第 2の吸着剤が充填された第 2の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第 2の吸着塔に上記第 1の非吸着ガスを導入して当該第 1の非吸着ガス中のー酸ィ [^素を上記第 2の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第 2の非吸着ガスを導出する第 2の吸着工程、および上記第 2の吸着剤から一酸化炭素を脱着させてへ脱着ガスを導出する第 2の脱着工程を含むサイクルを繰り返し行う第 2の圧力変動吸着式ガス分離工程と、

を含む、高炉ガスの分離方法。

[ 1 0 ]. 上記第 1の吸着剤は、活性炭である、 [ 9 ]に記載の高炉ガスの分離方法。

[ 1 1 ]. 上記第 2の吸着剤は、塩化銅を添着した活^である、 [ 9 ]または [ 1 0 ]に記載の高炉ガスの分離方法。

[ 1 2 ]. 上記第 1の吸着工程において上記第 1の吸着塔から導出される上記第 1の非吸着ガスのうち、上記第 1の吸着工程の開始時から所定の時点までに導出されるガスを水素回収配管を介して回収する、 [ 9 ]なぃし[ 1 1 ]のいずれかに記載の高炉ガスの分離方法。 [ 1 3 ]. 二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスを分離するための装置であって、

二酸化炭素を優先的に吸着するための第 1の吸着剤が充填された第 1の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第 1の吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を上記第 1の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第 1の非吸着ガスを導出し、カゝつ、上記第 1の吸着剤から二酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出するための第 1の圧力変動吸着式ガス分 β置と、

一酸化炭素を優先的に吸着するための第 2の吸着剤が充填された第 2の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第 2の吸着塔に上記第 1の非吸着ガスを導入して当該第 1の非吸着ガス中の一酸化炭素を上記第 2の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第 2の非吸着ガスを導出し、カゝつ、上記第 2の吸着剤から一酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出するための第 2の圧力変動吸着式ガス分 «置と、

を備える、高炉ガスの分 β

[ 1 4 ]. 二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスから、二酸化炭素の吸着能力が相対的に高く、カゝっ水素の吸着能力が相対的に低い吸着剤が充填された複数の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記吸着塔内が相対的に高圧である状態にぉレヽて、当該吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸ィ匕炭素を上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から非吸着ガスを導出する吸着工程と、上記吸着塔内が相対的に ffiff である状態において、上記吸着剤から二酸化炭素を脱着させてへ脱着ガスを導出する脱着工程とを含むサイクルを繰り返し行う高炉ガスの分離方法であって、

上記吸着塔からの上記非吸着ガスを、上記吸着工程の開始時から途中の時点まで水素回収配管を介して回収した後に上記水素回収配管とは異なる出口配管を介して取り出すことを特徴とする、高炉ガスの分離方法。

[ 1 5 ]. 上記途中の時点は、上記吸着塔からの上記非吸着ガスの水素濃度が所定の濃度まで低下した時点である、 [ 1 4 ]に記載の高炉ガスの分離方法。

[ 1 6 ]. 上記途中の時点は、上記吸着工程の時間の所定割合経過時である、 [ 1 4 ]に記載の高炉ガスの分離方法。 [17]. 上記水素回収配管には、水素の吸着能力が相対的に低く、力窒素および一酸ィ!^ 素の吸着能力が相対的に高レ、i ¾Pの吸着剤が充填されたブイルタ一が設けられている、 [1 4 ]ないし [ 16 ] V、ずれかに記載の高炉ガスの分離方法。

[18]· 上記 ϋΛΠの吸着剤は、ゼォライトである、 [17]に記載の高炉ガスの分離方法。

[19]. 上記吸着工程は、上記高炉ガスの圧力を利用して行う、 [14]ないし [18]のいずれかに記載の高炉ガスの分離方法。

[20]. 上記脱着工程において上記吸着塔内の圧力を大気圧にする、 [19]に記載の高炉ガスの分 ϋ ^法。

[21]. 上記脱着工程において上記吸着塔外へ導出された脱着ガスの一部を、圧縮機によつて上記吸着工程が終了した他の吸着塔へ導入する、 [20]に記載の高炉ガスの分離方法。

[22]. 上記脱着工程において上記吸着塔内の圧力を大気圧未満に減圧する、 [19]に記載の高炉ガスの分離方法。

[23]· 上記脱着工程において上記吸着塔外へ導出された脱着ガスの一部を、真空ポンプの吐出圧力を利用して上記吸着工程が終了した他の吸着塔へ導入する、 [22]に記載の高炉ガスの分法。

[24]. 上記高炉ガスを、上記吸着塔に導入する前に、硫黄化合物を優先的に吸着する吸着剤が充填された前処理塔に通流する、 [14]ないし [23]のいずれかに記載の高炉ガスの分離方法。

[25]· 二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスから、吸着剤が充填された複数の吸着塔を用レヽて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記吸着塔内が相対的に高圧である状態にぉレヽて、当該吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から非吸着ガスを導出し、かつ、上記吸着塔が相対的に ffiffである状態にぉレヽて、上記吸着剤から二酸化炭素を脱着させてへ脱着ガスを導出するための、高炉ガスの分離装置であって、

上記吸着塔からの上記非吸着ガスのうち水素を回収するための水素回収配管と、当該水素回収配管とは異なる出口配管と、

上記吸着塔からの上記非吸着ガスを上！ ¾R素回収配管に通流させる状態および上記出口配管に通流させる状態に切換える切換手段と、

を備えることを mとする、高炉ガスの分 «βο 図面の簡単な説明

図 1は、実施形態 1の高'炉ガスの分 »法を示す工程図である。

図 2は、実施形態 1において、一段目及び二段目のガス分離工程に圧力スイング吸着装置を用いたときの分 »作を模式的に表した図である。

図 3は、図 2に示す実施形態 1におレ、て、水素分 β置が吸着による分 ϋ¾置の^における、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスの分 «作の模式図である。

図 4 Αは、図 2に示す実施形態 1において、水素分離装置が吸着による分離装置の場合における、王による脱気操作の模式図である。

図 4 Bは、図 2に示す実施形態 1におレヽて、水素分離装置が吸着による分離装置の場合における、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスによる洗浄操作の模式図である。図 4 Cは、図 2に示す実施形態 1におレ、て、水素分難置が吸着による分離置の）における、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスによる逆洗浄操作の模式図である。

図 5は、実施形態 2に係る高炉ガスの分 »法をするのに使用することができる高炉ガス分離システムの概略構成図である。

図 6は、活性炭の各種ガスに対する吸着等温線を示すグラフである。

図 7は、塩化銅添活の各種ガスに财る吸着等赚を示すグラフである。

図 8は、実施形態 3に係る高炉ガスの分 ϋ¾·法を新するのに使用することができる高炉ガス分離装置の一例の概略構成図である。

図 9は、実施形態 3に係る高炉ガスの分離方法の各ステップに対応するガスの流れ図である。

図 1 0は、活性炭の各種ガスに m~る吸着等温蘼を示すグラフである。

図 1 1は、吸着工程における非吸着ガス中の水素濃度の経時変化の一例を示すグラフである。

図 1 2は、実施形態 3に係る高炉ガスの分離方法を実行するのに使用することができる高炉ガス分離装置の他の例の概略構成図である。発明を ¾6¾するため形態

¾¾¾の形態 1

発明者らは、高炉ガスの分離 ·回収に際し、分離 ·回収率の向上ならびに分離 ·回収に必要なエネルギーやコストの削減などを鋭意検討した結果、高炉ガス中に含まれる窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および水素のうち、どの成分を組み合わせて各«分を含むガスとして分離するカゝ、そして、各分を含むガスをどういう順序で分離するかが重要であるとの知見を得た。

実施の形態 1は、上記の知見に立脚するもので、その要旨構成は次のとおりである。

1 . 高炉から排出される高炉ガスを二段のガス分離精製装置を用いて各分を含むガス毎に分離するに際し、高炉ガスを、まず一目のガス分離精難置によって、

水素、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、

窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、

窒素、一酸ィ1 ^素、二酸イ^素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、

一酸化炭素、ニ酸ィ素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと

に分離し、ついで、これらの分離ガスのうち、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを、二段目のガス分離精製装置によって、

一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスとに分離することをとする、高炉ガスの分離方法。

2 . 上記一段目のガス分離精製装置が、高炉ガス中に含まれる成分である窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および水素のうち、一酸化炭素と二酸化炭素を吸着する物質を充填した吸着分離装置であり、一方、 tiriE二段目のガス分離精難置が、該高炉ガス中の成分のうち、二酸化炭素を吸着する物質を充填した吸着分 β置であることを«とする、上記 1に記載の高炉ガスの分離 I*·法。

3 . 上記一段目のガス分離精製装置が、高炉ガス中に含まれる成分である窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および水素のうち、一酸化炭素と二酸化炭素を吸着する物質を充填した吸着分離装置であり、 tiiis ^目のガス分離精難置が、二酸化炭素を吸収によって分離する化学的吸収装置であることを«とする、上記 1に記載の高炉ガスの分離方法。 4 · 上記一段目のガス分離精製装置で分離した水素、窒素およぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスを、水素膜あるレゝは水素以外の成分を吸着する吸着剤を配置した三段目のガス分離精 β置に導き、窒素、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスから、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、

窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと

に分離することを ^とする、上記 1乃至 3のいずれかに記載の高炉ガスの分離方法。

5. 上記水素以外の成分を吸着する吸着剤によって、水素、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスから、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを分離する際、上記三段目のガス分離精製装置内を減圧する脱気操作、

上記三段目のガス分離精置の入口側から水素による洗浄操作または

上記 H¾目のガス分離精置の出口側から水素による逆洗浄操作、

によって水素以外の成分を吸着した吸着剤を脱着処理することを «とする上記 4に記載の高炉ガスの分離方法。

6 . 上記一段目のガス分離精製装置によって分離された、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを、再度、一段目のガス分離精製装置に供給することを «とする、上記 1乃至 5のいずれかに記載の高炉ガスの分 ϋ¾·法。

7. 上記一段目のガス分離精製装置によって分離された、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスのうち、窒素の含有量がガス全体の 4 0体積％以下であるガスを製鉄所の燃料ガスとして回収することをとする、上記 6に記載の高炉ガスの分法。

8 . 上記一段目のガス分離精製装置によって分離された、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを、再度、一段目のガス分離精 Μ¾置に供^ることを mとする、上記 1 〜 7のいずれかに記載の高炉ガスの分離方法。

実施の形態 1によれば、高炉ガスから効率よく高濃度の一酸化炭素を分離することができ、中間生成物として窒素と一酸化炭素と二酸化炭素が混合した状態で分離されてくるガスのうちの一部は、窒素成分が少なく製鉄所内で燃料ガスとして利用できる。また、二酸化炭素も効率よく分離できることから、二酸化炭素を回収すれば、排出量削減にもつなげることができる。さらに、高濃度の水素も回収することができ、燃料ガスに含有させて再利用することによって、燃料ガスの熱量を向上させることができる。以下、実施の形態 1を具体的に説明する。

高炉ガスの繊は、一酸化炭素： 2 1 . 1 - 2 6 . 2體⁰ん二酸化炭素： 1 9. 3〜2 3 . 2 TO%、水素： 2 . 9〜5. 3 im%. 窒素： 5 2. 5〜5 9 . 2 ^¾%である。 (第 4版麵便覧 (CD-ROM) N o . 1第 2卷製銑 '翻、 2 0 0 2年 7月 3 0日発行、表 4 2— 5 · 7 ( 2 0 0 0 ) を参照）この高炉ガスから燃料として^できる熱量の高いガスを得るために、本発明においては、二段のガス分離精製装置を用い、一段目のガス分離精製装置によって、高炉ガスを、水素、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、窒素おょぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスと、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスの 4種類のガスに分離する。ここで、不可避的不純物ガス成分とは、高伊ガス中に含まれる微 *^分の他に、上記 4成分（一酸化炭素、二酸化炭素、水素、窒素）の中で分離すべき目的の成分以外に分離の効率上付随的に混入するガス成分で、最大 2 0体積％程度を含む。

実施の形態 1では、一段目のガス分離精難置によって、高炉ガスから、まず、二酸化炭素、一酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを分離するため、二段目のガス分離精 M¾置による二酸化炭素と一酸化炭素を分離する際に必要なエネルギーをさせることができ、また、効率的な分離が可能となる。

一段目のガス分離精！^置としては、主として一酸化炭素と二酸化炭素を吸着する物質を配置した吸着分離装置を使用することができる。また、二段目のガス分離精製装置としては、主として二酸化炭素を吸着する物質を配置した吸着分 «置、または、二酸化炭素を吸収液に吸収させる化学的吸 Φί¾置を翻することができる。

一段目および二段目のガス分離精製装置として使用する吸着分 ϋ¾置としては、圧力スィング吸着法（P S A法）や温度スイング吸着法（T S A法）などによる吸着分離装置を使用することができる。

二段目のガス分離精置としては、ァミンゃチルド ·アンモニアなどを吸収液とする化学的吸収装置を使用することができる。

また、一段目のガス分離精製装置の出口側に、一段目のガス分離精 «置によって分離されたガスのうち、窒素、水素おょぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスを、水素透過膜あるレヽは水素以外の成分を吸着する吸着剤を配置した三段目のガス分離精製装置に導き、水素濃度が髙ヽ、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを得ることができる。以下、図面を参照して、実施の形態 1を具体的に説明する。

図 1は、実施の形態 1の一例を示す程図である。

まず、一段目のガス分離精製装置によって、高炉ガスを、水素、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスの 4種類のガスに分離する。これは、後述するように、圧力および加熱が必要な分離精製工程を一段目とすることで、高炉炉項より得られる高炉ガスの圧力およびをそのまま利用することから、少ないエネルギーで高炉ガスの分離を行うことができるからである。

なお、水素、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスの組成は、水素 5〜5 0体積％程度、窒素 5 0〜 9 0体積％程度であり、窒素および不可避的不純物ガス成分か _らなるガスの組成は、窒素 8 0〜9 0体積％以上であり、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスの組成は、窒素 1〜 9 0体積⁰ /₀程度、一酸化炭素 5〜 6 o %m . 二酸化炭素 Ι〜5 ΟΙΦ¾% であり、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスの組成は、一酸化炭素 3 0〜 5 0 二酸化炭素

5 0- 7 0 ^である。

一段目のガス分離精置によって分離された上記の 4種類のガスのうち、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスは、さらに、二段目のガス分離精製装置に導力ゝれ、一酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスに分離される。なお、分離の過程で、ー酸ィ [^素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス（分離し切れずに一酸化炭素と二酸化炭素が混合した状態のガス）が生成する。通常この状態のガスは二段目のガス分離生成装置に戻されるが、後述のように有効利用することも可能である。以下、それぞれのガスについて説明する。

一酸ィ匕炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスの組成は、一酸化炭素 8 5〜 9 9 ^であり、一酸化炭素の濃度が高いため、製鉄所内で燃料ガスとして利用することができるほか、化学原料としても使用することができる。

二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスの糸!^は、二酸化炭素 8 0〜 9 9 である。一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスの «は、一酸化炭素 8 5〜 5 0賴％、二酸化炭素 1 5 ~ 5 0體％である。

また、二段目のガス分離精製装置へ導力、れる二酸化炭素、一酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスは、高炉ガスに比べて二酸化炭素濃度の高レ、ガスとすることができるため、二段目のガス分離精製に多大なエネルギーを使用することなく、高い分離率で二酸化炭素と一酸化炭素を分離することができる。

以上が、実施の形態 1に従う高炉ガスの分離方法の ¾ ^成であるが、さらに、 H¾目のガス分離精製装置として水素分離装置を設け、一段目のガス分離精製装置によつて分離した 4種類のガスのうち、水素、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスとに分離してもよレ、。なお、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスにおける水素の濃度は、概ね 5 0〜 9 9体積％以上の範囲であり、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスにおける窒素の濃度は、概ね 8 0〜9 0 ％以上の範囲である。

なお、三段目のガス分離精製装置は必須ではなく、例えば高炉ガスとの比較で単位体積あたりの熱量が 3倍以上となる燃料ガスを得ようとするには、一段目のガス分離精 «置によつて分離された、水素、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、二段目のガス分離精置によつて分離された、一酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスとを混合することで得ることが可能である。

上記した実施の形態 1につレヽて、実例を挙げてさらに詳細に説明する。

図 2は、実施の形態 1におレ、て、一段目のガス分離精難置および二段目のガス分離精製装置として、ともに圧力スイング吸着装置 (P S A) を用いたときの分隱作を模式的に表わしたものであり、図 2中の符号 1は、一段目のガス分離精製装置（主として一酸化炭素と二酸化炭素を吸着する物質が充填された吸着塔からなる圧力スイング吸着装置）、符号 2は、二段目のガス分離精 «置（主として二酸化炭素を吸着する物質が充填された吸着塔からなる圧力スイング吸着装置）、符号 3は、三段目のガス分離精製装置（水素分離装置）である。なお、図面における各ガス成分の分布状態は、ガスの分離の状況を説明するための模式的表現であり、実際の P S A装置における塔内のガス分布とは異なる。

高炉ガス aは一段目のガス分離精製装置 1に導入される。この、高炉ガス中のダスト (固体粒子）、ミスト（液粒子）、水分及 «黄分を、あらかじめ除去しておくことが好ましい。何故なら、ダストは、吸着物質の細孔を閉塞して能力低下を引き起こし、ミストおよび水分は、吸着物質の劣化を促進させ、硫黄分は、吸着物質の吸着点の被毒による能力低下を引き起こす可能性があるからである。

一段目のガス分離精難置 1の吸着塔に充填される吸着物質としては、水素、窒素、一酸化炭素、二酸イ^素のうち、主として一酸化炭素と二酸化炭素を吸着する物質であればレヽずれも利用可能であり、特に限定するものではないが、 Y型ゼォライトゃ活性炭に一価の銅を担持或レ、はィオン交換したものは一酸化炭素と二酸化炭素の吸着能力に優れるので好ましレ、。特に、担体に活性炭を使用したものは硫黄分や水分に対して、ゼォライトに比べて耐久性が高いのでこの^はさらに望ましい。また、吸着時の圧力、脱着時の圧力は、ともに特に指定するものではないが、操作の容易性から、吸着圧力は 1 0 0 ~ 5 0 0 k P a (絶対圧）程度、脱着圧力は 5〜： 1 0 0 k P a (絶対圧） S¾とすることが好ましい。また、特に一価の銅を担持あるいはイオン交換したものは使用が 5 0〜： 0 0で¾¾であるほうが一酸化炭素および二酸化炭素と、他の成分との吸着能力に差が大きいため分離が行レゝやすい。高炉ガスの圧力および温度は、高炉塔頂より除塵設備を経た時点で約 3 5 0 k P a (絶対圧）、 5 0〜6 0で¾¾であるのでこの一価の銅を担持あるいはイオン交換した吸着剤をすればこの圧力とがそのまま利用でき余分なエネルギーを投入する必要がなくなり経済的である。

段目のガス分離精製装置 1に導入されたガス a (高炉ガス）は、図 2に示すように、水素、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガス b、窒素おょぴ不可避的不純物ガス成分からなるガス c、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス d、ガス dのうち比較的窒素の少ないガス e (ガス dを排出する工程において後期に排出される）、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス f に分離される。

水素、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガス bは、そのままでも製鉄所内にお V、て燃料ガスとして利用可能であるが、さらに、三段目のガス分離精 «置 3である水素分離装置を設けることによって、高濃度の水素を含む水素および不可避的不純物ガス成分からなるガス gに分離することも可能である。水素分離装置は、窒素を吸着する P S A装置であつてもよいし、吸着剤として一段目のガス分離精製装置 1における吸着塔の上部に先述した吸着剤とは別に充填させてもよい。あるいは、分子の大きさを利用して水素を分離する水素分離膜であっても良い。水素および不可避的不純物ガス成分からなるガス gを分離した後の窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガス hは、一段目のガス分離精製装置から分離される窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガス cと混合してもよレ、。

次に一段目のガス分離精難置 1から分離される窒素と一酸ィ素、ニ酸ィ素および不可避的不純物ガス成分からなるガス dは、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガス cの全部あるいは一部と併せて混^ 4で混合され、ガス iとして再びガス分離精難置 1 に戻される。この場合、このガス iの窒素濃度は、高炉ガスよりも常に高くなつているよう混合比を制御することが好ましい。

次に一段目のガス分離精 M¾置 1から分離される窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス dのうち、比較的窒素の少ないガス e (ガス dを排出する工程において後期に排出される）は、二段目のガス分離精製装置 2に導入すると一酸化炭素の濃度を下げるため好ましくないが、相当程度の一酸化炭素を含有するため熱量が高く、燃料ガスとして製鉄所の副生ガスに導入することが可能であり、高炉ガスを分離するために必要なエネルギーとの差し引きで、エネルギー収支的に Uである。

次に一段目のガス分離精 «置 1から分離される一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス f は目のガス分離精製装置 2に導入される。

二段目のガス分離精 M¾置 2の吸着塔に充填される吸着物質は一酸化炭素と二酸化炭素を分離できる物質であればレゝずれも利用可能であり、特に指定するものではなく、市販の活性炭ゃゼオライトが使用可能である。また、吸着時の圧力、脱着時の圧力ともに特に指定するものではないが、操作の容易性から、吸着圧力は 1 0 0〜5 0 0 k P a (絶対圧）程度、脱着圧力は 5 ~ 1 0 0 k P a (絶対圧） ¾gとすることが好ましいが、投入エネルギーの |¾ のためにはさらに吸着圧力を 1 0 0〜2 0 0 k P a とすることが好ましい。

^.目のガス分離精 «置 2に導入された、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス f は、図 2に示すように一酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス j、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス k、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス 1に分離される。

一酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス jは、一酸化炭素の濃度が高いため、製鉄所内で燃料ガスとして利用可能であるほか、化学原料としても利用できる。

次に分離される一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス kは、一段目のガス分離精 «置 1より導入される、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス f と混合して、再び二段目のガス分離精製装置 2に導入しても良い。あるいは、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス kは、相当量の一酸化炭素を含むため、高熱量ガスとして製鉄所の副生ガスに導入することも可能である。

なお、 H¾目のガス分離精製装置 3として水素分 β置を設置する、水素分瞧を設置した装置であっても窒素を吸着する P S Αあるいは T S Α装置であってもよい力窒素を吸着する P S Aあるいは T S A装置を用いる^^には、吸着剤が水素以外の成分によって破瓜した時点で、 ¾Bこよる脱気操作、水素による洗浄操作または逆洗浄操作を行うことが好ましい。 |¾£による脱気操作、水素による洗浄操作または逆洗浄操作を行うことにより、窒素の損失を最大限に抑制することが可能となる。洗浄操作または逆洗浄操作に用いる水素は、その由来を特に限定するものではないが、実施の形態 1における水素および不可避的不純物ガス成分からなるガス gを使用するのが好都合である。

三段目のガス分離精 M¾置 3が吸着による分置の^^ (図 3および 4で 3，と表記）における、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスの分 ϋ ^作の模式図を図 3に、赃による脱気操作の模式図を図 4 Αに、水素による洗浄操作の模式図を図 4 Bに、水素による逆,操作の模式図を図 4 Cに示す。

ffによる脱気操作を行うには、図 4 Aに示すように、真空ポンプ等の排気装置 5等によって三段目のガス分離精製装置 3，に残存する窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガス hを排気する。水素による洗浄操作を行う場合には、図 4 Bに示すように、ブロア等の送風装置 6によって、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガス gの一部を、洗浄ガスとして三段目のガス分離精 M¾置 3 , の入口側から導入して、残存する窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガス hを出口側より排気する。水素による逆洗浄操作を行う場合には、図 4 Cに示すように、ブロア等の送風装置 6によって、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガス gの一部を、洗浄ガスとして三段目のガス分離精製装置 3 ' の出口側から導入して、残存する窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガス hを入口側より排気する。 .

なお、図 3および 4において、 ¾Eによる脱気、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスによる洗浄または逆洗浄操作以外の構成は、図 2と同一であり、同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。以下、実施の形態 1に従う高炉ガスの分離方法に関して一段目のガス分離精製装置および二段目のガス分離精 M¾置ともに圧力スイング吸着法によって分離した結果を示す。なお、三段目のガス分離装置による分離は実施していない。また、本実験例にて採用した分難1¾作および条件は、相当する効果の得られるものであれば、当該技術に関わるどのような公知技術も適用可能であり、以下の説明をもって本件の技囲を限定するものではない。なお、圧力表記は全て絶対圧である。

一段目のガス分離精製装置におけるガス分離は、一価の銅を担持した活性炭を充填した吸着塔からなるガス分離精製装置で行った。一段目のガス分嶋作の各工程は、吸着材を充填した塔（以下、「吸着塔」と表記する）に流入および流出するガスの流れに従って、「昇圧」「吸着」 i¾l£ l」「逆洗浄」「¾£ 2」の 5工程とし、 Ι¾Η 2」の工程を経た後は再び「昇圧」工程となる操作を循環させた。

「昇圧」工程では、「赃1」工程で吸着塔の出口側より排出される、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、「吸着」工程で吸着塔の出口側より排出される、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスの一部を混合して、 5 k P aまで赃された状態の吸着塔の入口側より導入した。この際、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス、と、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスの混合比は窒素濃度が 5 0 以上となるよう比で 2 ： 1とした。さらに高炉ガス（水素 3体積％、窒素 5 2体積。、一酸化炭素 2 3体積％、二酸化炭素 2 2体積％) を吸着塔内のガス圧力が 3 0 0 k P aとなるまで導入した。

「昇圧」工程に続く「吸着」工程では、高炉ガスが吸着塔の入口側より導入されると同時に吸着塔の出口側より、吸着塔内の内のガス圧力が一定となるようにガスを出口側より排出した。（この排出をガス排出の「一段目の第 1期」と表記する）この一段目の第 1期に排出されるガスは初期に、水素、窒素および不可避的不純物からなるガスが排出され、その後、窒素および不可避的不純物からなるガスが排出された。このガスの糸诚は排出時間とともに連続的に変化し、水素、窒素および不可避的不純物からなるガスでは水素： 5 0〜7体積％、窒素： 5 0〜 9 0体 %であり、窒素および不可避的不純物からなるガスでは水素 7 ~ 4体積％、窒素 9 2〜 9 0輔％であった。なお、排出される、窒素および不可避的不純物からなるガスに含まれる窒素濃度が 9 0体積％以下となった時点で高炉ガスの導入を停止し「吸着」工程は終了させた。「吸着」工程に続く「減圧 1」工程では、吸着塔内のガス圧力が 1 0 0 k P a近くになるまで吸着塔の出口側よりガスを排出した。（この排出をガス排出の「一段目の第 2期」と表記する）この一段目の第 2期に排出されるガスは、窒素、一酸化炭素、二酸ィ [^素および不可避的不純物ガス成分からなるガスである。このガスの糸!^は出時間とともに連続的に変化し、窒素： 8 9〜4 1籠⁰ん一酸化炭素： 5〜4 3 %、二酸化炭素 2〜1 5髓％であつた。

「減圧 1」工程に続く「逆洗浄」工程では、吸着塔の出口側より、吸着塔内のガス圧力を 1 O O k P a g^に保持した状態で、後述する「^i£ 2」工程で排出される、一酸 ft^素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスの一部が導入され、同時に吸着塔の入口側よりガスを排出した（この排出ガスをガス排出の「一段目の第 3期」と表記する）。ガスの導入は吸着塔の入口側より排出されるガスに含まれる窒素濃度が 1 を下回つた時点で終了した。この一段目の第 3期に排出されるガスは、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスでる。このガスのは排出時間とともに連続的に変化し、窒素： 2 2〜1體％、ー酸ィ I ^素： 3 7〜5 7髓％、二酸化炭素： 4 0 ~ 4 3 #¾%であった。

「逆洗浄」工程に続く「減圧 2」工程では、吸着塔の出口側より、吸着塔内に残存する成分を真空ポンプで吸着塔内のガス圧力が 5 k P aになるまで排出した。（この排出ガスをガス排出の「一段目の第 4期」と表記する）この一段目の第 4期に排出されるガスはー酸ィ素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスである。このガス組成は排出時間とともに連続的に変ィ匕し、一酸化炭素： 4 2〜3 7i %, 二酸化炭素： 5 7〜6 3体積％であった。

¾JBE 2」工程で排出されたガスは、二段目のガス分 β置にて、さらに、一酸化炭素および不可避的不純物からなるガスと、二酸化炭素および不可避的不純物からなるガスに分離した。なお、二段目のガス分離精難置におけるガス分離は、活 tt^を充填した吸着塔からなるガス分離精難置で行った。二段目のガス分嶋作の各工程は、吸着材を充填した塔 (以下、同様に「吸着塔」と表記する）に流入および流出するガスの流れに従って、「昇圧」「吸着」「 1」「¾E 2」の 4工程からなり、 ¾ffi 2」の工程を経た後は再び「昇圧」工程となる操作を循環させた。

「昇圧」工程では、「¾£ 1」工程で吸着塔の出口側より排出される、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス（二段目の第 2期）と、さらに、一段目のガス分離精難置より分離された一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス（一段目の第 4期）とを、比にて 1 ： 3の割合で混合して、ガス圧力が 5 k P aまで ¾¾ϊされた吸着塔の入口側より、吸着塔内のガスの圧力が 1 0 0 k P aとなるまで導入した。

「昇圧」工程に続く「吸着」工程では、一段目のガス分離精難置より分離された一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス (一段目の第 4期）を吸着塔の入口側より導入すると同時に吸着塔の出口側より、吸着塔内のガス圧力がほぼ 1 0 0 k P aで一定となるようガスを出口側より排出した。（この排出をガス排出の「二段目の第 1 期」と表記する）なお、「吸着」工程は、排出されるー酸ィ I ^素および不可避的不純物ガス成分からなるガスに含まれる一酸化炭素濃度が 7 5 i %となった時点でガス導入を終了した。この二段目の第 1期に排出されるガスは一酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガス力 S排出される。このガスの糸!^は排出時間とともに連続的に変ィ匕し、一酸化炭素： 8 5〜 8 9 であった。

「吸着」工程に続く「 JE 1」工程では、吸着塔内に残存する成分を真空ポンプ等で吸着塔の出口側より吸着塔内のガス圧力が 3 5 k P aとなるまで排出した。（この排出をガス出の「二段目の第 2期」と表記する）この二段目の第 2期に排出されるガスはー酸ィ t ^素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス'成分からなるガスが排出される。このガスのは出時間とともに連続的に変化し、一酸化炭素： 8 5〜5 7im%. 二酸化炭素： 1 5〜4 3 であった。

「» 1」工程に続く「¾£ 2」工程では、吸着塔内に残存する成分を真空ポンプ等で吸着塔の入口側より吸着塔内のガス圧力が 5 k P aとなるまで排出した。（この排出をガス出の「二段目の第 3期」と表記する）この二段目の第 3期に排出されるガスは二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスが排出される。このガスのは排出時間とともに連続的に変化し、二酸化炭素： 8 1〜9 6体積％であった。

難の形態 2

実施の形態 2は、このような事情の下で考え出されたものであって、二酸化炭素、窒素、一酸化炭素、および水素を主として含む高炉ガスから、二酸化炭素を分離するとともに、残余のガスの可燃成分を濃縮 ·分離する方法および装置を^することを目的としている。実施の形態 2の第 1の側面によって提供される高炉ガスの分離方法は、二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスを分離するための方法であって、二酸 ί匕炭素を優先的に吸着するための第 1の吸着剤が充填された第 1の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第 1の吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を上記第 1の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第 1の非吸着ガスを導出する第 1の吸着工程、および上記第 1の吸着剤から二酸化炭素を脱着させてへ脱着ガスを導出する第 1の脱着工程を含むサイクルを繰り返し行う第 1の圧力変動吸着式ガス分離工程と、一酸化炭素を優先的に吸着するための第 2の吸着剤が充填された第 2の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第 2の吸着塔に上記第 1の非吸着ガスを導入して当該第 1の非吸着ガス中の一酸化炭素を上記第 2の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第 2の非吸着ガスを導出する第 2の吸着工程、および上記第 2の吸着剤から一酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出する第 2の脱着工程を含むサイクルを繰り返し行う第 2の圧力変動吸着式ガス分離ェ接と、を含むことを特徴としている。

好ましくは、上記第 1の吸着剤は、活 '腺である。

好ましくは、上記第 2の吸着剤は、塩化銅を添した活である。

好ましくは、上記第 1の吸着工程において上記第 1の吸着塔から導出される上記第 1の非吸着ガスのうち、上記第 1の吸着工程の開始時から所定の時点までに導出されるガスを水素回収配管を介して回収する。

本分離方法においては、二酸化炭素、窒素、水素およびー酸ィ素を含む高炉ガスから二酸化炭素および窒素を分離するにあたり、 P S A法による 2段階の圧力変動吸着式ガス分離工程を実行することにより、上記の 4種類のガス成分を選択的に濃縮分離することが可能となる。具体的には、まず、第 1の圧力変動吸着式ガス分離工程では、第 1の吸着剤に優先的に吸着された二酸化炭素を脱着 ·回収することより、二酸化炭素を効率よく分離することができる。ここで、第 1の吸着剤としては、例えば、二酸化炭素の吸着容量が他のガス成分に比べて極端に大きい活性炭系のものが好適に用いられる。また、第 1の吸着工程において第 1の吸着剤に吸着されずに第 1の吸着塔から導出される第 1の非吸着ガスは、窒素、水素、およぴー酸化炭素を^ ¾分とするガスである。このうち水素については、他の成分ガス（窒素および一酸化炭素）に比べて吸着剤に対する吸着容量が乏しい性質を有する。このため、第 1の非吸着ガスのうち初期ガスを回収することにより、水素を濃縮分離することができる。次、で、第 2の圧力変動吸着式ガス分離工程では、第 2の吸着塔に導入されて第 2の吸着工程に付されるガス（第 1の非吸着ガスのうち後半部分のガス）は、高炉ガスから二酸化炭素および水素が有意に除去されたものであり、窒素および一酸化炭素を分とするガスである。第 2の圧力変動吸着式ガス分離工程においては、第 2の吸着剤に優先的に吸着された一酸ィ素を脱着 ·回収することにより、一酸化炭素を効率よく分離回収することができる。ここで、第 2の吸着剤としては、例えば、一酸化炭素の吸着容量が窒素の吸着容量に比べて極端に大きい、塩化銅を添着した活^が好適に用いられる。また、第 2の吸着工程において第 2の吸着剤に吸着されずに第 2の吸着塔から導出される第 2の非吸着ガスほ、窒素を主成分とするガスである。

実施の形態 2の第 2の側面によって ^ttされる高炉ガスの分離システムは、二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスを分離するためのシステムであって、二酸ィ匕炭素を優先的に吸着するための第 1の吸着剤が充填された第 1の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第 1の吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を上記第 1の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第 1の非吸着ガスを導出し、つ、上記第 1の吸着剤から二酸化炭素を脱着させて ¾^へ脱着ガスを導出するための第 1の圧力変動吸着式ガス分離装置と、一酸 ί匕炭素を優先的に吸着するための第 2の吸着剤が充填された第 2の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第 2の吸着塔に上記第 1の非吸着ガスを導入して当該第 1の非吸着ガス中の一酸化炭素を上記第 2の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第 2の非吸着ガスを導出し、カゝつ、上記第 2の吸着剤から一酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出するための第 2の圧力変動吸着式ガス分離装置と、を備えることを»としている。このような構成の高炉ガスの分離システムによると、本発明の第 1の側面の高炉ガスの分 11 ^法を適切に行うことができる。

実施の形態 2によれば、高炉ガスから不燃性の二酸化炭素および窒素を分離することにより可燃成分が濃縮されたガスを得ることができ、燃料用途としての «量を大幅に高めることが可能となる。これにより、従来においては «量不足を補うために用いられていた補助燃料の削減または廃止が可能となり、補助燃料に由来する二酸化炭素排出量の削減にも繋がる。また、濃縮分離された二酸化炭素を地中または海中に ff¾する技術が将来的に実用化されれば、重ねて二酸化炭素の排出量の削減に貢ることができる。

実施の形態 2に係る高炉ガスの分離方法について、図面を参照して具体的に説明する。図 5は、実施の形態 2に係る高炉ガスの分 »法を実行するのに^ fflすることができる高炉ガス分離システムの概略構成を示している。高炉ガス分離システム Xは、直列的に 2段に配置された圧力変動吸着式ガス分 «置（P S Aガス分置） 1 0 1， 1 0 2と、これらにつながる配管とを備えており、二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスから難吸着成分が濃縮された非吸着ガスと易吸着成分が濃縮された脱着ガスとを分離回収するべく、圧力変動吸着式ガス分離法（P S A法）による操作を亍可能に構成されたものである。

? 3 ガス分離装置1 0 1は、二酸化炭素を優先的に吸着するための第 1の吸着剤が充填された複数の吸着塔（第 1の吸着塔、図示略）を備えており、第 1の圧力変動吸着式ガス分離工程（第 1の P S Aガス分離工程）を行うためのものである。第 1の吸着剤としては、例えば、椰子殻や竹などの植物質や、石炭質、石油質などのものを原料とする活性炭を採用することができる。

第 1の P S Aガス分離工程では、単一の吸着塔について、例えば第 1の吸着工程、第 1の洗浄工程、および第 1の脱着工程を含む 1サイクルが繰り返される。第 1の吸着工程は、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を第 1 の吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から第 1の非吸着ガスを導出するための工程である。第 1 の洗浄工程は、第 1の吸着工程を終了した吸着塔を、第 1の脱着工程にある他の吸着塔から導出される脱着ガスの一部を利用して洗浄する工程である。第 1の脱着工程は、吸着塔内を ί¾Ηして第 1の吸着剤から二酸化炭素を脱着させ、二酸化炭素が濃縮された脱着ガスを塔外に導出するための工程である。

P S Aガス分離装置 1 0 1には、高炉ガスを供給するための高炉ガス供給配管 1 0 3が接続されている。高炉ガスしては、例えば製鉄所における高炉からの排出ガスに脱湿処理を施したガスが挙げられる。当該高炉ガスの糸！^ 濃度）は、例えば、二酸化炭素が 1 9 〜 2 4 %、窒素が 5 2〜 6 0 %、水素が 2〜 6 %、一酸ィ匕炭素が 2 1〜 2 7 %である。

P S Aガス分離装置 1 0 1にはまた、水素回収配管 1 0 4、非吸着ガス送出配管 1 0 5、および脱着ガス回収配管 1 0 6が接続されている。水素回収配管 1 0 4は、吸着塔から導出される第 1の非吸着ガスの一部を回収するためのものである。非吸着ガス送出配管 1 0 5は、吸着塔からの第 1の非吸着ガスを P S Aガス分離装置 1 0 2に送り出すためのものである。 P S Aガス分 ϋ¾置 1は、吸着塔からの第 1の非吸着ガスを、水素回収配管 1 0 4に通流させる状態と非吸着ガス送出配管 1 0 5に通流させる状態とに切換える機構（図示略）を備えている。なお、非吸着ガス送出配管 1 0 5には、第 1の非吸着ガスを P S Αガス分離装置 1 0 2に圧送するための圧縮機を設けてもよい。

P S Aガス分離装置 1 0 2は、一酸化炭素を優先的に吸着するための第 2の吸着剤が充填された複数の吸着塔（第 2の吸着塔、図示略）を備えており、第 2の圧力変動吸着式ガス分離工程（第 2の P S Aガス分離工程）を行うためのものである。第 2の吸着剤としては、一酸化炭素の吸着選択性を高める化学物質を添着した活性炭が好適であり、例えば塩化銅を添着した活† ^が用いられる。塩化銅添着活については、力！]熱 J 元処理を施して 1価の塩化銅とすることにより、一酸化炭素の吸着選択性が高まる。その一方、塩化銅添着活性炭は、窒素の吸着容量が極端に小さい。 P S Aガス分離装置 1 0 2には、非吸着ガス送出配管 1 0 5、非吸着ガス取出配管 1 0 7、および脱着ガス回収配管 1 0 8カ接続されている。 P S A ガス分 β置 1 0 2は、塩化銅添活^の吸着■から、 2 5 8 0 で操作することが好ましく、 3 0 6 0でで操作することがより好ましい。

第 2の P S Αガス分離工程では、単一の吸着塔について、例えば第 2の吸着工程、第 2の洗浄工程、および第 2の脱着工程を含む 1サイクルが繰り返される。第 2の吸着工程は、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に第 1の非吸着ガスを導入して当該非吸着ガス中の一酸化炭素を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から第 2の非吸着ガスを導出するための工程である。第 2の洗浄工程は、第 2の吸着工程を終了した吸着塔を、第 2の脱着工程にある他の吸着塔から導出される脱着ガスの一部を利用して ¾ ^する工程である。第 2の脱着工程は、吸着塔内を赃して第 2の吸着剤から一酸化炭素を脱着させ、一酸化炭素が濃縮された脱着ガスを塔外に導出するための工程である。

上記構成の高炉ガス分離システム Xの稼動時には、高炉ガス供給配管 1 0 3を介して P S Aガス分 ϋ¾置 1 0 1 高炉ガスが供給される。

P S Αガス分 ϋ¾置 1 0 1では、吸着塔ごとに上述の第 1の吸着工程、第 1の洗浄工程、および第 1の脱着工程を含むサイクルが繰り返し行われる。

第 1の吸着工程では、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に高炉ガスが導入され、第 1の吸着剤により易吸着成分である二酸化炭素が優先的に吸着されて第 1の非吸着ガス力 s塔外に導出される。第 1の吸着工程における吸着圧力は、例えば 1 0 0 4 0 0 k P a (ゲージ圧）である。ここで、高炉ガスの導入に際し、高炉からの排出ガスの元圧を利用して第 1の吸着工程を実行することができる。したがって、この、第 1の吸着工程を実行するための圧縮機を用いる必要がない。

第 1の吸着剤（活赌）の各種ガス成分に财る吸着容量は、二酸化炭素》一酸化炭素〉窒素〉水素という関係になっている。図 6は、活性炭の二酸化炭素、一酸化炭素、窒素、水素に対する常温 ( 2 5 X:) での吸着等温線を表す。ここで、二酸化炭素の吸着容量は、他のガス成分に比べて極端に大きいことから、吸着圧力を低めに設定しても、第 1の吸着剤に対する二酸化炭素の吸着量は比較的に多くなる。

一酸化炭素および窒素の吸着容量については、二酸化炭素に比べると小さいものの、水素に比べると大きい。したがって、第 1の吸着工程の初期においては一酸化炭素および窒素もある吸着され、第 1の吸着工程の初期段階において塔外に導出される第 1の非吸着ガスについては、水素濃度が相当に高くなる。第 1の吸着工程力 S進行すると、二酸化炭素に比べて吸着容量が小さい一酸化炭素および窒素が吸着されることなく第 1の非吸着ガスとして塔外へ導出されてくるので、第 1の非吸着ガス中の水素濃度は次第に低下する。

実施の形態 2においては、第 1の吸着工程の開始時から途中の時点まで、吸着塔からの第 1の非吸着ガスを、水素回収配管 1 0 4を介して水素濃縮ガスとして回収する。当該回収操作は、例えば第 1の非吸着ガス中の水素濃度を常時的にセンサで検知し、水素濃度が所定の濃度に低下した時点で終了する。水素の回収率を高める場合には、水素濃縮ガス回収の終了時の水素濃度を低く設定し、水素の濃縮率を高める場合には、当該終了時の水素濃度を高く設定する。水素の回収率を重視して当該終了時の水素濃度を例えば 1 0 %とした場合、回収した水素濃縮ガス全体における水素濃度は約 3 0 %となり、もとの高炉ガスにおける水素濃度が 2 ~ 6 %であったので、水素は 5倍以上に濃縮されることになる。この、水素の回収率は約 8 0 %となる。

第 1の吸着工程は、例えば塔内の第 1の吸着剤が破過するまで行う。上記の水素濃縮ガスの回収の終了後においては、吸着塔から導出される第 1の非吸着ガスは、非吸着ガス送出配管 1 0 5を介して P S Aガス分 «置 1 0 2へと送出される。このとき、非吸着ガス送出配管 1 0 5を流れるガスについては、既に二酸化炭素および水素が分離済みであるので、残余の窒素および一酸化炭素を分とするガスであり、例えば窒素濃度が 6 0〜6 5 %、一酸化炭素濃度が 3 0〜 3 5 %である。第 1の,工程では、第 1の脱着工程にある他の吸着塔から導出される脱着ガスの一部を利用して塔内を洗浄する。第 1の脱着工程では、吸着塔内を大気圧以下に減圧して、第 1の吸着剤から吸着ガスを脱着させる。脱着ガスには、二酸化炭素が高レヽ濃度でまれている。当該脱着ガスは、塔外へ導出され、脱着ガス回収配管 1 0 6を介して回収される。回収した脱着ガスについては、例えば、二酸化炭素の濃度が 9 0〜9 9 %であり、二酸化炭素の回収率が 8 0 ~ 9 0 %である。

. P S Aガス分離装置 1 0 2では、吸着塔ごとに上述の第 2の吸着工程、第 2の洗浄工程、および第 2の脱着工程を含むサイクルが繰り返し行われる。

第 2の吸着工程では、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に第 1の非吸着ガスが導入され、第 2の吸着剤により易吸着成分である一酸化炭素が優先的に吸着されて、窒素が濃縮された第 2の非吸着ガスが^ μこ導出される。第 2の吸着工程は、例えば塔内の第 2の吸着剤カ破過するまで行う。第 2の吸着工程における吸着圧力は、例えば 1 0 0〜4 O O k P a (ゲージ圧）である。

第 2の吸着剤（塩化銅添着活赌）の各種ガス成分に対する吸着容量は、一酸化炭素》二酸化炭素〉窒素〉水素という関係になっている。図 7は、塩化銅添着活性炭の一酸化炭素、二酸化炭素、水素、窒素に対する常温 ( 2 5 X:) での吸着等温線、および、一酸化炭素、二酸化炭素に対する常温よりも高温（5 0"€) での吸着等を表す。ここで、一酸化炭素の吸着容量は、他のガス成分に比べて極端に大きいことから、吸着圧力を低めに設定しても、第 2の吸着剤に対する一酸化炭素の吸着量は比較的に多くなる。一方、窒素の吸着容量は吸着圧力に拘わらず小さレ、値を示しているので、殆どの窒素が第 2の吸着剤に吸着されずに通過する。

また、二酸化炭素および一酸化炭素について、条件が異なる 2 5 ¾：と 5 0でのをそれぞれ対比すると、二酸化炭素および一酸化炭素のいずれも高温である 5 0でのときに同一の吸着圧力下での吸着容量は低下するが、高 if時 ( 5 0 ) に吸着容量が低下する割合としては、一酸化炭素よりも二酸化炭素の方が大きレ、。これにより、 2 5^の¾ ^よりも 5 0での場合の方が、第 2の吸着工程における一酸化炭素と二酸化炭素の分離性が良好であるといえる。したがって、第 2の吸着工程に付される P S Aガス分 ϋ¾置 1からの第 1の非吸着ガスにつ、て、第 1の吸着剤によつて吸着されなかつたことによつて含まれる二酸化炭素の分離を考慮すると、第 2の吸着工程を常温よりも高温（5 0で）で行うことが好ましい。第 2の吸着工程において塔外に導出された第 2の非吸着ガスは、非吸着ガス取出配管 1 0 7を介して回収される。回収した第 2の非吸着ガスについては、例えば、窒素の濃度が 8 0 〜 9 5 %であり、窒素の回収率が 7 0〜 9 9 %である。

第 2の洗浄工程では、第 2の脱着工程にある他の吸着塔から導出される脱着ガスの一部を利用して塔内を洗浄する。第 2の脱着工程では、吸着塔内を大気圧以下に減圧して、吸着剤から吸着ガスを脱着させる。脱着ガスには、一酸化炭素が高い濃度てまれている。

当該脱着ガスは、塔外へ導出され、脱着ガス回収配管 1 0 8を介して回収される。回収した脱着ガスについては、例えば、一酸化炭素の濃度が 9 0〜 9 9 %であり、一酸化炭素の回収率が 8 0〜9 0 %である。

このように、高炉ガス分離システム Xを用いて行う高炉ガスの分 »法によると、 P S A 法による 2段階の P S Aガス分離工程を実行することにより、高炉ガスに含まれる 4種類のガス成分（二酸化炭素、水素、一酸化炭素、および窒素）を選択的に濃縮分離することができる。即ち、本実施形態によれば、高炉ガスから不燃性の二酸化炭素および窒素を分離することにより可燃成分が濃縮されたガスを得ることができ、燃料用途としての量を大幅に高めることが可能となる。これにより、従来においては量不足を捕うために用いられていた補助燃料の削減または廃止が可能となり、補助燃料に由来するニ酸ィ [^素排出量の削減にも繋がる。また、濃縮分離された二酸化炭素を地中または海中に,する技術が将来的に実用化されれば、重ねて二酸化炭素の排出量の削減に貢献できることになる。

力!]えて、実施の形態 2によれば、可燃成分である水素および一酸化炭素についても選択的に濃縮分離することができる。水素回収配管 1 0 4を介して回収された第 1の非吸着ガス (水素濃縮ガス）については、製鉄所内で発生するコークスオーブンガス（水素濃度が約 4 0〜5 0 %) などの比較的に水素濃度の高いガスに混ぜて使用する等により、付加価値の高い燃料として有効利用を図ることができる。脱着ガス回収配管 1 0 8を介して回収された脱着ガス（高濃度一酸化炭素）については、発熱量が高く絶対量も比較的に多いので、燃料として有効利用が可能である。

以上、実施の形態 2を説明したが、 «の形態 2はこれに限定されるものではなく、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

難例

次に、 «の形態 2の有用性を実施例により説明する。本実施例では、図 5に示したような 2つの P S Aガス分離装置 1 0 1， 1 0 2を用いて高炉ガスの分離を行った。八ガス分離装置丄 0 1， 1 0 2は、それぞれ、 3つの吸着塔を備えた 3塔式 P S Aである。 P S Aガス分 ϋ¾置 1 0 1の各吸着塔には、吸着剤として、椰子殻系の活倾を 2. 0リツトル充填した。 P S Αガス分難置 1 0 2の各吸着塔には、吸着剤として、塩化銅を添着した活性炭を 2 . 0リットル充填した。この装置を用いて、高炉ガス（体濃度にして二酸化炭素が 2 2 %、窒素が 5 2 %、水素が 3 %、一酸化炭素が 2 3 %) 力ら二酸化炭素、一酸化炭素とその他のガス成分との分離を試みた。 P S Aガス分離装置 1に供給される高炉ガスの供^ Sは 1 5 0 0リツトル Zh r (標準状態換算）とした。

P S Aガス分離装置 1 0 1では、第 1の吸着工程における塔内の最高圧力は 3 0 0 k P a (ゲージ圧）、第 1の脱着工程における塔内の最低圧力は一 9 0 k P a (ゲージ圧）とした。次いで、 P S Aガス分離装置 1において塔内の吸着剤に吸着されなかったガスを、 P S Aガス分雖置 1 0 2へ供給した。 P S Aガス分難置 1 0 2では、第 2の吸着工程における塔内の最高圧力は 2 0 0 k P a (ゲージ圧）、第 2の脱着工程における塔内の最低圧力は一 9 0 k P a (ゲージ圧）とした。

その結果、 P S Aガス分 ¾¾置 1 0 1における第 1の脱着工程より得られたガスは二酸化炭素を ¾ ^分とするガスであり、当該ガスの取得量は 2 9 3. 3リットル Z h r (標準状態換算）、二酸化炭素の濃度は 9 0 %、二酸化炭素の回収率（高炉ガス中の二酸化炭素ガス量に対して回収される二酸化炭素ガス量の割合）は 8 0 %であった。また、？3八ガス分¾|¾ 置 1 0 2の第 2の脱着工程より得られたガスは一酸化炭素を主成分とするガスであり、当該ガスの取得量は 3 0 6 . 7リットル Zh r (標準状態換算）、一酸化炭素の濃度は 9 0 %、一酸化炭素の回収率（高炉ガス中の一酸化炭素ガス量に対して回収される一酸化炭素ガス量の割合）は 8 0 %である。 P S Aガス分離装置 2において塔内の吸着剤に吸着されなかったガスは窒素ガスを主成分とするガスであり、その取得量は 9 0 0リツトル/ h r (標準状態換算）であった。

雞の形態 3

実施の形態 3は、高炉ガスから、 P S A法による操作を薪亍して、二酸化炭素および水素を選択的に濃縮 ·分離する方法および装置を^することを目的としている。

実施の形態 3の第 1の側面によって提供される高炉ガスの分離方法は、二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスから、二酸化炭素の吸着能力が相対的に高く、力ゝっ水素の吸着能力が相対的に低レ、吸着剤が充填された複数の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記吸着塔内が相対的に高圧である状態において、当該吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から非吸着ガスを導出する吸着工程と、上記吸着塔内が相対的に低圧である状態において、上記吸着剤から二酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出する脱着工程とを含むサイクルを繰り返し行う高炉ガスの分離方法であって、上記吸着塔からの上記非吸着ガスを、上記吸着工程の開始時から途中の時点まで水素回収配管を介して回収した後に上記水素回収配管とは異なる出口配管を介して取り出すことをとしている。

高炉ガスから二酸化炭素を主たる目的ガスとして分離回収する、高回収率および高濃度で回収するためには、吸着工程にぉゝて二酸化炭素を吸着剤力 S破過するまで二酸化炭素を吸着させるのが好ましい。吸着工程の初期段階に導出さる非吸着ガスについては、高炉ガスのガス成分のうち、相対的に吸着容量が小さい水素の濃縮率が最も高くなり、当該非吸着ガスの水素濃度が比較的に高くなつている。本発明に係る分離方法によれば、水素濃度が高い初期段階の非吸着ガスを水素回収用の専用配管で回収することにより、 1段の P S A法による操作を実行して、高炉ガスから二酸化炭素および水素の 2成分を濃縮 ·分離することができる。

実施の形態 3の第 1の側面において、一つの実施形態によれば、上記途中の時点は、上記吸着塔からの上記非吸着ガスの水素濃度が所定の濃度まで低下した時点である。

本発明の第 1の側面において、他の実施形態によれば、上記途中の時点は、上記吸着工程の時間の所定割合経過時である。

実施の形態 3の第 1の側面において、好ましくは、上記水素回収配管には、水素の吸着能力カ湘対的に低く、カゝっ窒素および一酸化炭素の吸着能力が相対的に高い卩の吸着剤が充填されたフィルターが設けられている。実施の形態 3の第 1の側面において、好ましくは、上記追加の吸着剤は、ゼォライトである。

実施の形態 3の第 1の側面において、好ましくは、上記吸着工程は、上記高伊ガスの圧力を利用して行う。

実施の形態 3の第 1の側面にぉレヽて、一つの実施形態によれば、上記脱着工程にぉ、て上記吸着塔内の圧力を大気圧にする。この場合、好ましくは、上記脱着工程において上記吸着塔外へ導出された脱着ガスの一部を、圧縮機によつて上記吸着工程が終了した他の吸着塔へ導入する。

実施の形態 3の第 1の側面にぉレ、て、他の実施形態によれば、上記脱着工程にぉレ、て上記吸着塔内の圧力 ¾大気圧未満に減圧する。この場合、好ましくは、上記脱着工程において上記吸着塔外へ導出された脱着ガスの一部を、真空ポンプの吐出圧力を利用して上記吸着工程が終了した他の吸着塔へ導入する。

実施の形態 3の第 1の側面において、好ましくは、上記高炉ガスを、上記吸着塔に導入する前に、硫黄化合物を優先的に吸着する吸着剤が充填された前処理塔に通流する。

実施の形態 3の第 2の側面によって提供される高炉ガスの分離装置は、二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスから、吸着剤が充填された複数の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記吸着塔内が相対的に高圧である状態において、当該吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から非吸着ガスを導出し、カゝつ、上記吸着塔が相対的に低圧である状態において、上記吸着剤から二酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出するための、高炉ガスの分離装置であって、上記吸着塔からの上記非吸着ガスのうち水素を回収するための水素回収配管と、当該水素回収配管とは異なる出口配管と、上記吸着塔からの上記非吸着ガスを上記水素回収配管に通流させる状態および上記出口配管に通流させる状態に切換える切換手段と、を備えることをとしている。このような構成の高炉ガスの分 «置によると、実施の形態 3の第 1の側面の高炉ガスの分離方法を適切に行うことができる。

実施の形態 3によれば、吸着工程において吸着塔から導出される非吸着ガスのうち、吸着工程の開始時から所定の時点までの比較的に水素濃度が高いガスについてのみ水素回収配管を介して回収することが可能となる。したがって、 1段の P S A操作により、二酸化炭素を比較的に高濃度でかつ高レ、回収率で回収しつつ、水素にっレヽても所定以上に濃縮されたものとして回収することができる。水素が濃縮されたガスは、比較的に量が高く、燃料として有効利用を図ることができる。

実施の形態 3に係る高炉ガスの分離方法について、図面を参照して具体的に説明する。図 8は、実施の形態 3に係る高炉ガスの分 81 ^法を実行するのに使用することができる高炉ガス分離装置の概略構成を示している。高炉ガス分離装置 X Iは、 3つの吸着塔 A， B， C、高炉ガス用配管 2 0 1、非吸着ガス用配管 2 0 2、水素回収配管 2 0 3、非吸着ガス出口配管 2 0 4、脱着ガス用配管 2 0 5、脱着ガス回収配管 2 0 6、用配管 2 0 7、およびパージガス出口配管 2 0 8を備え、二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスから難吸着成分が濃縮された非吸着ガスと易吸着成分が濃縮された脱着ガスとを分離回収するべく、圧力変動吸着式ガス分離法（P S A法）を実行可能に構成されたものである。高炉ガスとしては、例えば製鉄所における高炉からの排出ガスに脱湿処理を施したガスが挙げられる。当該高炉ガスの繊（體濃度）は、例えば、二酸化炭素が 1 9〜2 4 %、窒素が 5 2〜 6 0 %、水素が 2〜 6 %、一酸化炭素が 2 1〜 2 7 %であり、不純物としての硫黄化合物'（硫化水素、硫化力ルポニルゃ二硫化炭素など）が数 p p m¾¾含まれている。吸着塔 A, B , Cには、所定の吸着剤が充填されている。当該吸着剤としては、二酸化炭素を優先的に吸着する性質を有するものが用いられる。そのような吸着剤としては、例えば、椰子殻や竹などの植物質や、石炭質、石油質などのものを原料とする活^を採用することができる。

高炉ガス用配管 1は、高炉ガスを吸着塔 A， B , Cに導入するためのものであり、 ^吸着塔 A， B， Cに繋がる分岐配管 3 0 1， 3 0 2， 3 0 3を含んで構成されている。分岐配管 3 0 1， 3 0 2， 3 0 3には、それぞれ前処理塔 2 0 9力 S設けられている。各前処理塔 9には、硫黄化合物を優先的に吸着する吸着剤が充填されている。当該吸着剤としては、硫黄化合物を選択的に吸着する化学物質を添着または混合したものが好適であり、例えば銅一クロム一アルカリ金属の三元触媒を添した活（粒状白鷺 TA C) 力用いられる。

非吸着ガス用配管 2 0 2は、吸着塔 A， B， Cから導出される非吸着ガスを通流させるためのものであり、切換弁 2 1 0を介して非吸着ガス出口配管 2 0 4につながっている。水素回収配管 2 0 3は、切換弁 2 1 0を介して非吸着ガス用配管 2につながっており、非吸着ガスの一部を回収するためのものである。また、非吸着ガス用配管 2 0 2には、切換弁 2 1 0 の近傍に水素濃度センサ 2 1 1が設けられている。水素濃度センサ 2 1 1は、非吸着ガス用配管 2 0 2内を通流するガスの水素濃度を常時的に検知するためのものである。切換弁 2 1 0は、水素濃度センサ 2 1 1で検知したガスの水素濃度に応じて、非吸着ガス用配管 2 0 2 内のガスを水素回収配管 2 0 3へ通流させる状態と、非吸着ガス出口配管 2 0 4へ通流させる状態とに自動的に切換えるように構成されている。このような水素濃度センサ 2 1 1および切換弁 2 1 0は、本発明でレ、う切換手段の役割を担う。

水素回収配管 2 0 3には、フィルター 2 1 2が設けられており、当該フィルター 2 1 2には、水素の吸着能力が低く、力窒素および一酸化炭素の吸着能力が高い吸着剤 01Λ口の吸着剤）が充填されている。そのような吸着剤としては、例えばゼォライトを採用することができる。

脱着ガス用配管 2 0 5は、各吸着塔 A， B， Cから導出される脱着ガスを通流させるためのものであり、切換弁 2 1 3を介して脱着ガス回収配管 2 0 6につながっている。洗浄用配管 2 0 7は、切換弁 2 1 3を介して脱着ガス用配管 2 0 5につながっており、脱着ガス用配管 2 0 5を通流する脱着ガスの一部を吸着塔 A， B， Cのいずれかに戻すためのものである洗浄用配管 2 0 7には、圧縮機 2 1 4が設けられている。圧縮機 2 1 4は、脱着ガスを各吸着塔 A， B, Cへ送出するためのものである。切換弁 2 1 3は、脱着ガス用配管 2 0 5内のガスを脱着ガス回収配管 2 0 6へ通流させる状態と、洗浄用配管 2 0 7へ通流させる状態とに切換可能に構成されている。ノ一ジガス出口配管 2 0 8は、各吸着塔 A， B， Cから排出されるガスを系外に取り出すためのものである。

各配管 2 0 1， 2 0 2， 2 0 5 , 2 0 7 , 2 0 8には、自動弁 a ~ oが設けられている。高炉ガス分離装置 X 1を用いて行う P S A法による高炉ガスの分離では、各自動弁 a〜oの開閉状態および切換弁 2 1 0， 2 1 3の切献態を選択することにより、各吸着塔 A， B， Cにおいて、例えば吸着工程、洗浄工程、および脱着工程からなるサイクルが繰り返し行われる。

具体的には、吸着塔 A， B, Cにおいて所定の工程（ステップ:！〜 6 ) が並行して行われる。各ステップにおける高炉ガス分離装置 X Iのガス流れを模式的に表せば、図 9 A〜図 9 Fに示したようなものとなっている。

ステップ 1においては、吸着塔 Aでは吸着工程、吸着塔 Bでは洗浄工程、吸着塔 Cでは脱着工程が行われており、図 9 Aに示すガス流れ状態とされている。図 8および図 9 Aに示したように、吸着塔 Aには、高炉ガス用配管 2 0 1、前処理塔 2 0 9、および自動弁 aを介して高炉ガスが導入される。吸着塔 Aでは、吸着剤により易吸着成分である二酸化炭素が優先的に吸着されて非吸着ガスが^^に導出される。吸着工程における吸着圧力は、例えば 1 0 0〜4 0 0 k P a (ゲージ圧）である。ここで、高炉ガスの導入に際し、高炉からの排出ガスの元圧を利用して吸着工程を菊亍することができる。したがつて、この、吸着工程を亍するための圧縮機を用いる必要がなレヽ。なお、吸着塔 Aに導入される高炉ガスは、前処理塔 2 0 9を通過することにより、不純物として微少まれている硫黄化合物が除去される。これにより、吸着塔 A内の吸着剤が硫黄化合物によって劣ィ匕するといつた不都合は防止される。

吸着剤（活'隨）の各種ガス成分に対する吸着容量は、ニ酸ィ素》一酸化炭素〉窒素〉水素という関係になっている。図 1 0は、活赌の二酸化炭素、一酸ィ! ^素、窒素、水素に対する常温 ( 2 5 °C) での吸着等?!^を表す。ここで、二酸化炭素の吸着容量は、他のガス成分に比べて極端に大きいことから、吸着圧力を低めに設定しても、吸着剤に対する二酸化炭素の吸着量は比較的に多くなる。

一酸化炭素および窒素の吸着容量については、二酸化炭素に比べると小さいものの、水素に比べると大きい。したがって、吸着工程の初期においては二酸化炭素および窒素もある程度吸着され、吸着工程の初^段階において塔外に導出される非吸着ガスについては、水素濃度が相当に高くなつている。図 1 1は、吸着工程における非吸着ガスの水素濃度の経時変化を示すグラフである。非吸着ガス中の水素濃度は、時間の経過とともに低下し、ある時点で急激に低下し始める。このことは、吸着工程が進行すると、二酸化炭素に比べて吸着容量が小さい一酸化炭素および窒素が吸着剤に吸着されることなく非吸着ガスとして塔外へ導出されることになり、もとの高炉ガスにおける濃度の低い水素（2〜6 %) が高炉ガスにおける' 濃度の高い窒素（5 2〜6 0 %) や一酸化炭素（2 1〜2 7 %) によって希釈されることによると考えられる。

実施の形態 3においては、吸着工程の開始時から途中の時点まで、吸着塔 Aからの非吸着ガスを、自動弁 k、非吸着ガス用配管 2 0 2、切換弁 2 1 0、水素回収配管 2 0 3、およびフィルタ一 2 1 2を介して水素濃縮ガスとして回収する。水素濃縮ガスの回収は水素濃度センサ 2 1 1で検知した非吸着ガスの水素濃度が所定の濃度に低下した時点で終了する。その後は切換弁 2 1 0を切換えることによって、吸着塔 Aからの非吸着ガスを、非吸着ガス出口配管 2 0 4を介して取り出す。

水素濃縮ガス回収の終了時として設定される水素濃度（水素濃度センサ 2 1 1で検知されるガスの水素濃度）は、例えば 5〜 9 0 %の範囲とされ、好ましくは 1 0〜3 0 %とされ、より好ましくは 1 5〜2 5 %とされる。水素の回収率を高める^には、水素濃縮ガス回収の終了時の水素濃度を低く設定し、水素の濃縮率を高めるためには、当該終了時の水素濃度を高く設定する。水素の回収率を重視して当該終了時の水素濃度を例えば 1 0 %とした場合、回収した水素濃縮ガス全体における水素濃度は約 3 0 %となり、もとの高炉ガスにおける水素濃度が 2〜 6 %であったので、水素は 5倍以上に濃縮されることになる。

この、水素の回収率は約 8 0 %となる。また、本実施形態では、水素回収配管 2 0 3を通流するガスはフィルター 2 1 2を通過することにより、一酸化炭素および窒素が効率よく除去される。カゝかる構成によれば、回収される水素濃縮ガスの濃縮率を高めるうえで好適である。ただし、水素濃縮ガスの濃縮率をあまり高くする必要がない^には、フィルター 2 1 2を設けなくてもよレヽ。

吸着塔 Bは、先に吸着工程を行っているので（図 9 F) に示される後述のステップ 6参照）、塔内は昇圧されているとともに、塔内の空間部には、難吸着成分である水素、窒素、一酸化炭素を ¾ ^分とするガス、あるレ、は高炉ガスと同ののガスが残存している。吸着塔 Bには、吸着塔 Cから導出された脱着ガス（中濃度の二酸化炭素を含む）が自動弁 i、脱着ガス用配管 2 0 5、切換弁 2 1 3、圧縮機 2 1 4、洗浄用配管 2 0 7および自動弁 eを介して吸着塔 Bに導入される。吸着塔 B内の残存ガスは、塔外に排出されて自動弁 2 0 1、パージガス出口配管 2 0 8を介して系外に取り出される。これにより、吸着塔 B内の空間部には、吸着塔 Cからの脱着ガスが充満する。

ステップ 2においては、吸着塔 Aでは吸着工程、吸着塔 Bでは脱着工程、吸着塔 Cでは脱着工程が行われており、図 9 Bに示したようなガス流れ状態とされている。

図 8および図 9 Bに示したように、吸着塔 Aには、ステップ 1と同様にして高炉ガスが導入され、非吸着ガスが塔外に導出される。吸着工程は、塔内の吸着剤力するまで行う。非吸着ガスは、自動弁 k、非吸着ガス用配管 2 0 2、切換弁 2 1 0および出口配管 2 0 4を介して取り出される。吸着塔 Bにおいては、自動弁 2 0 1が開放状態とされており、塔内の圧力が大^ £にされて吸着剤から吸着ガスが脱着し始める。ここで、脱着初期のガスは、二酸化炭素よりも吸着されにくい一酸化炭素および窒素が比較的に多く含まれるので、塔内の空間部のガスとともに^^へ排出される。吸着塔 Bからの排出ガスは、自動弁 2 0 1、ノージガス出口配管 2 0 8を介して系外に取り出される。

吸着塔 Cでは、ステップ 1に引き続いて脱着工程が行われる。ここで、塔内において吸着剤から脱着するガスは、二酸化炭素が高レゝ濃度で含まれている。吸着塔 Cから導出される脱着ガスについては、自動弁 i、脱着ガス用配管 2 0 5、切換弁 2 1 3、および脱着ガス回収配管 2 0 6を介して回収される。回収した脱着ガスについては、例えば、二酸化炭素の濃度が 8 5〜 9 5 %であり、二酸化炭素の回収率が 8 0〜 9 0 %である。

ステップ 3 , 4においては、図 9 C，図 9 Dに示したように、吸着塔 Aではステップ 1， 2における吸着塔 Bと同様にして洗浄工程および脱着工程が行われ、吸着塔 Bではステップ 1， 2における吸着塔 Cと同様にして脱着工程が行われ、吸着塔 Cではステップ 1， 2における吸着塔 Aと同様にして吸着工程が行われる。

ステップ 5， 6においては、図 9 E，図 9 Fに示したように、吸着塔 Aではステップ 1， 2における吸着塔 Cと同様にして脱着工程が行われ、吸着塔 Bではステップ 1， 2における吸着塔 Aと同様にして吸着工程が行われ、吸着塔 Cではステップ 1， 2における吸着塔 Bと同様にして洗浄工程および脱着工程が行われる。

そして、以上に説明したステップ：！〜 6が高炉ガス分離装置 X 1において繰り返し行われることにより、高炉ガスから、高濃度の二酸化炭素を含む脱着ガスと、水素が濃縮された非吸着ガスとが分離回収される。

以上、実施の形態 3を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、上記洗浄工程において、他の吸着塔から導出された脱着ガスの一部だけを洗浄用ガスとして用いると同時に、残りの脱着ガスを脱着ガス回収配管 2 0 6から回収してもよい。また、例えば、実施の形態 3では、吸着工程において水素濃度に応じてガスの流れを水素回収配管 2 0 3から非吸着ガス出口配管 2 0 4に切換えるように構成されているが、ガスの流れを切換える時点としては、例えば吸着工程の時間の所定割合経過時としてもよい。この場合、例えば、図 1 1に示す水素濃度曲線、および目標とする水素濃縮ガスの水素濃度の関係から、例えば吸着工程の時間の 2 0〜 3 0 %経過した時点で水素回収配管 2 0 3を介してのガス回収を終了するといつたことをあらかじめ設定しておけばよく、水素濃度センサ 2 1 1は不要となる。

実施の形態 3では、脱着工程における吸着塔内の圧力を大気圧としたが、これに代えて脱着工程の際に塔内圧力を大気圧未満に減圧してもよレゝ。脱着工程の際に塔内を減圧すれば、脱着ガス量が増加するとともに、次回の吸着工程に備えての吸着剤の再生が促進され、当該 P S A法における高炉ガスを分離する全体性能の向上を図ることができる。この^^、例えば脱着ガス用配管に真空ポンプを設ければよく、洗浄工程にある吸着塔への脱着ガスの送出は、真空ポンプの吐出圧力を利用して行うことができる。

なお、高炉ガス分離装置の吸着塔数については、上記実施形態で示した 3塔だけに限定されるものではなく、 2塔または 4塔以上としてもよレ、。 2塔の^^には、例えば P S A操作において洗浄工程を省略すればよい。

本発明に係る高炉ガス分離装置 X 1を用いた高炉ガスの分離方法によると、吸着工程において吸着塔から導出される非吸着ガスのうち、吸着工程の開始時から所定の時点までの比較的に水素濃度が高いガスについてのみ水素回収配管 2 0 3を介して回収することが可能となる。したがって、本分離方法によれば、 1段の P S A操作により、二酸素を比較的に高濃度でかつ高い回収率で回収しつつ、水素についても所定以上に濃縮されたものとして回収することができる。上記実施形態にぉレ、て一例として述べた濃度 3 0 %¾gの水素濃縮ガスは、比較的に量が高く、燃料として有効利用を図ることができる。難例

次に、実施の形態 3の有用性を実施例により説明する。

難例 1

本実施例では、図 1 2に示すような高炉ガス分離装置 X 2を用いて、以下に説明する条件下で、図 9に示したステップからなるサイクルを繰り返し行うことにより高炉ガスの分離を試みた。高炉ガス分 81¾置 X 2は、図 8の高炉ガス分 β置 X 1と比較して、フィルター 2 1 2の前後において水素回収配管 2 0 3に対して分岐状に接続されたバイパス配管 2 1 5、バイパス配管 2 1 5に分岐状に接続された配管 2 1 6、水素回収配管 2 0 3においてフィルター 2 1 2の下流側に位置する水素濃度センサ 2 1 7、および弁 p ~ tが il^D的に設けられている。吸着塔 A， B， Cは円筒状容器とされており、各吸着塔 A， B , Cの内部に活傾吸着剤を 2リツトル充填した。高炉ガスとしては、体積濃度にして、二酸化炭素が 2 2 %、窒素が 5 2 %、水素が 3 %、一酸化炭素が 2 3 %のものを用いた。高炉ガスの供給量は、 1 5 0 0 リットル Zh r (標 ¾ ^態換算）とした。吸着工程における吸着塔 A， B， C内の最高圧力は 3 0 0 k P a (ゲージ圧)、脱着工程の最 ffi力は、一 9 0 k P a (ゲージ圧）とした。また、水素回収配管 2 0 3に取り付けたフィルター 2 1 2には、ゼォライト系の吸着剤を 0. 2リットノレ充填した。

本実施例においては、切換弁 2 1 0を介して水素回収配管 2 0 3に導入される水素濃縮ガスは、弁 p， q , tを閉じておくことにより、フィルター 2 1 2を通さずにバイパス配管 2 1 5を通して回収した。その結果、吸着工程において吸着塔 A， B， Cから導出される非吸着ガス中の水素濃度を、水素濃度センサ 2 1 1を用いて確認すると、図 9に示す様に吸着工程の初期には 9 2 %の高濃度を保持したが、 2 0秒を経過すると急激に濃度は低下した。そのため、吸着時間 2 5秒で水素濃度 2 0 %前後まで低下した時点で水素回収配管 2 0 3カゝらの水素の回収を終了した。また、最終的に水素ガス濃度が、高炉ガス濃度にほぼ等しくなつた時点、即ち、吸着工程開始から 5 0秒を経過した時点で吸着工程も終了した。本条件下で水素の回収率は約 5 0 %、回収されだ水素濃縮ガス全体における水素濃度は約 6 5 %であつた。また、脱着工程時に回収された脱着ガス（高濃度二酸化炭素）については、二酸化炭素の濃度は約 9 8。/。、回収率は 9 0。/₀に達した。

例 2

本実施例においては、切換弁 2 1 0を介して水素回収配管 2 0 3に導入される水素濃縮ガスは、弁 r， tを閉じておくことにより、バイパス配管 2 1 5を通さずにフィルター 2 1 2 を通して回収した。それ以外の条件は、実施例 1と同一とした。その結果、水素濃度センサ 2 1 1を用いて ¾^した水素濃度の変動は、実施例 1と同一であつたが、フィルター 2 1 2 を通過したガスにつレ、て水素濃度センサ 2 1 7で検知した水素濃度は、吸着工程開始後 2 5 秒経過してから 9 2 %から減少し始め、それ以降の濃度下降曲線は、実施例 1と同一であつた。

よって、水素濃度が 2 0 %前後にまで低下した吸着工程開始 3 0秒の時点で水素回収配管 2 0 3からのガスの回収を終了した。また、水素濃縮ガスの回収を終了するとともに、フィルター 2 1 2の下流に設けた弁 sを閉止し、力 >つ弁 tを開けて、フィルタ一 2 1 2内の圧力を大気圧まで下げることにより、フィルター 2 1 2内の吸着剤に吸着された不純物を脱着した。本脱着操作は、次の吸着工程が実施される直前まで実施した。本脱着操作により、フィルタ — 2 1 2を再生することができる。本条件下で、水素の回収率は約 5 3 %、回収された水素濃縮ガス全体における水素濃度は約 6 9 %に向上した。

Claims

請求の範囲

1. 高炉から排出される高炉ガスを二段のガス分離精製装置を用いて各 «分を含むガス毎に分離するに際し、

高炉ガスを、まず一段目のガス分離精製装置によって、

窒素およぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスと、

窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、 . 一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスとに分離し、次に、これらの分離ガスのうち、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを、目のガス分離精製装置によって、

一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスとに分離する、ことを mとする、高炉ガスの分 »法。

2. 前記一段目のガス分離精製装置が、高炉ガス中に含まれる成分である窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および水素のうち、一酸化炭素と二酸化炭素を吸着する物質を充填した吸着分離装置であり、一方、前記二段目のガス分離精製装置が、該高炉ガス中の成分のうち、二酸化炭素を吸着する物質を充填した吸着分 β置であることを mとする、請求項 1に記載の高炉ガスの分離方法。

3. 前記一段目のガス分離精製装置が、高炉ガス中に含まれる成分である窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および水素のうち、一酸化炭素と二酸化炭素を吸着する物質を充填した吸着分離装置であり、 ΙΐίΙΕΙ^目のガス分離精難置が、二酸化炭素を吸収によって分離する化学的吸収装置であることを«とする、請求項 1に記載の高炉ガスの分 »法。

4. 前記一段目のガス分離精製装置で分離した水素、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを、水素膜あるいは水素以外の成分を吸着する吸着剤を配置した三段目のガス分離精製装置に導き、窒素、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスから、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスと、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスとに分離することをとする、請求項 1乃至 3のいずれかに記載の高炉ガスの分離方法。

5 . 前記水素以外の成分を吸着する吸着剤によって、水素、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスから、水素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを分離する際、俞記三段目のガス分離精製装置内を減圧する脱気操作、

前記目のガス分離精製装置の入口側から水素による洗浄操作または

によつて水素以外の成分を吸着した吸着剤を脱着処理することを特徴とする請求項 4に記載の高炉ガスの分離方法。

6 . 前記一段目のガス分離精製装置によって分離された、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素おょぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスを、再度、一段目のガス分離精製装置に供給することをとする、請求項 1-乃至 5のいずれかに記載の高炉ガスの分 »法。

7. 前記一段目のガス分離精製装置によって分離された、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および不可避的不純物ガス成分からなるガスのうち、窒素の含有量がガス全体の 4 ()■%以下であるガスを製鉄所の燃料ガスとして回収することをとする、請求項 6に記載の高炉ガスの分 SI ^法。

8. 前記一段目のガス分離精製装置によって分離された、窒素および不可避的不純物ガス成分からなるガスを、再度、一段目のガス分離精製装置に供給することを «とする、請求項 1〜 7のいずれかに記載の高炉ガスの分離方法。

9 . 二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスを分離するための方法であつて、

二酸化炭素を優先的に吸着するための第 1の吸着剤が充填された第 1の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第 1の吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を上記第 1の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第 1の非吸着ガスを導出する第 1の吸着工程、および上記第 1の吸着剤から二酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出する第 1の脱着工程を含むサイクルを繰り返し行う第 1の圧力変動吸着式ガス分離工程と、

一酸化炭素を優先的に吸着するための第 2の吸着剤が充填された第 2の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第 2の吸着塔に上記第 1の非吸着ガスを導入して当該第 1の非吸着ガス中の一酸化炭素を上記第 2の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第 2の非吸着ガスを導出する第 2の吸着工程、および上記第 2の吸着剤から一酸化炭素を脱着させて^ I·へ脱着ガスを導出する第 2の脱着工程を含むサイクルを繰り返し行う第 2の圧力変動吸着式ガス分離工程と、

を含む、高炉ガスの分離方法。

1 0. 上記第 1の吸着剤は、活性炭である、請求項 9に記載の高炉ガスの分離方法。

1 1 . 上記第 2の吸着剤は、塩化銅を添した活である、請求項 9または 1 0に記載の高炉ガスの分離方法。

1 2. 上記第 1の吸着工程において上記第 1の吸着塔から導出される上記第 1の非吸着ガスのうち、上記第 1の吸着工程の開始時から所定の時点までに導出されるガスを水素回収配管を介して回収する、請求項 9ないし 1 1のいずれかに記載の高炉ガスの分離方法。

1 3. 二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスを分離するための装置であつて、二酸化炭素を優先的に吸着するための第 1の吸着剤が充填された第 1の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第 1の吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を上記第 1の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第 1の非吸着ガスを導出し、カゝつ、上記第 1の吸着剤から二酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出するための第 1の圧力変動吸着式ガス分 ||¾置と、

一酸化炭素を優先的に吸着するための第 2の吸着剤が充填された第 2の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第 2の吸着塔に上記第 1の非吸着ガスを導入して当該第 1の非吸着ガス中の一酸ィ! ^素を上記第 2の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第 2の非吸着ガスを導出し、カゝつ、上記第 2の吸着剤から一酸化炭素を脱着させてへ脱着ガスを導出するための第 2の圧力変動吸着式ガス分離装置と、

を備える、高炉ガスの分離装 go

1 4. 二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスから、二酸化炭素の吸着能力が相対的に高く、カゝっ水素の吸着能力が相対的に低い吸着剤が充填された複数の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記吸着塔内が相対的に高圧である状態におレ、て、当該吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から非吸着ガスを導出する吸着工程と、上記吸着塔内が相対的に iSffである状態にぉレヽて、上記吸着剤から二酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出する脱着工程とを含むサイクルを繰り返し行う高炉ガスの分»法であって、

1 5. 上 |Ξ¾中の時点は、上記吸着塔からの上記非吸着ガスの水素濃度が所定の濃度まで低下した時点である、請求項 1 4に記載の高炉ガスの分離方法。

1 6. 上記途中の時点は、上記吸着工程の時間の所定割合経過時である、請求項 1 4に記載の高炉ガスの分離方法。

1 7. 上 |¾素回収配管には、水素の吸着能力が相対的に低く、力つ窒素および一酸化炭素の吸着能力が相対的に高レヽ i¾iraの吸着剤が充填されたフィルターが設けられている、請求項

1 4ないし 1 6レ、ずれかに記載の高炉ガスの分離方法。

1 8. 上記の吸着剤は、ゼォライトである、請求項 1 7に記載の高炉ガスの分法。

1 9. 上記吸着工程は、上記高炉ガスの圧力を利用して行う、請求項 1 4ないし 1 8のいずれかに記載の高炉ガスの分離方法。

2 0. 上記脱着工程において上記吸着塔内の圧力を大気圧にする、請求項 1 9に記載の高炉ガスの分 »法。

2 1 . 上記脱着工程において上記吸着 ¾^へ導出された脱着ガスの一部を、圧縮機によって上記吸着工程が終了した他の吸着塔へ導入する、請求項 2 0に記載の高炉ガスの分離方法。

2 2. 上記脱着工程において上記吸着塔内の圧力を大気圧未満に減圧する、請求項 1 9に記載の高炉ガスの分離方法。

2 3. 上記脱着工程において上記吸着塔外へ導出された脱着ガスの一部を、真空ポンプの吐出圧力を利用して上記吸着工程が終了した他の吸着塔へ導入する、請求項 2 2に記載の高炉ガスの分 ϋ ^法。

2 4. 上記高炉ガスを、上記吸着塔に導入する前に、硫黄化合物を優先的に吸着する吸着剤が充填された前処理塔に通流する、請求項 1 4ないし 2 3のいずれかに記載の高炉ガスの分離方法。

2 5. 二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスから、吸着剤が充填された複数の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記吸着塔内が相対的に高圧である状態にぉレ、て、当該吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高'炉ガス中の二酸化炭素を上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から非吸着ガスを導出し、カゝつ、上記吸着塔が相対的にである状態において、上記吸着剤から二酸 ft^素を脱着させてへ脱着ガスを導出するための、高炉ガスの分離装置であって、

上記吸着塔からの上記非吸着ガスを上 Ι¾Κ素回収配管に通流させる状態および上記出口配管に通流させる状態に切換える切換手段と、

を備えることを,とする、高炉ガスの分 «βο