WO2023042535A1 - ガス分離方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a gas separation method.
- the above PSA method has been applied in various fields, but it is often used as a method of producing high-concentration gas by adsorbing one component contained in the raw material gas.
- the PSA method includes a pressurization method that uses a pressure difference of "pressurization - normal pressure” and a suction method that uses a pressure difference of "normal pressure (or slightly pressurized) - reduced pressure”. Also called Swing Adsorption).
- CCU Carbon dioxide Capture and Utilization
- the gas utilization facility is a methane synthesis reactor
- the produced methane has a reducing action on oxides such as iron ore, so it can be used as a reducing agent in a reduction furnace.
- the raw material gas of the methane synthesis reactor is CO 2
- the methane synthesis reaction is an exothermic reaction
- the reaction heat of the methane synthesis can be effectively utilized by using the generated high-temperature methane as it is as a reducing agent in the reduction furnace.
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Abstract
圧力スイング吸着法により、原料ガスから複数のガス利用設備にそれぞれ適したガスを分離して供給することができるガス分離方法を提供する。本発明によるガス分離方法は、原料ガスを吸着剤が充填された吸着塔へ導入し、吸着剤に目的ガス成分を吸着させる目的ガス成分吸着工程と、目的ガス成分吸着工程で吸着剤に吸着された目的ガス成分を脱着させて目的ガス成分を含む脱着ガスを吸着塔から排出する目的ガス成分脱着工程と、目的ガス成分脱着工程で吸着塔から排出された脱着ガスを、２基以上の異なるガス利用設備に供給する脱着ガス供給工程とを備え、目的ガス成分脱着工程は、脱着ガス供給工程における脱着ガスのガス利用設備への供給先を切り替える脱着ガス利用設備切替工程を有することを特徴とする。
Description
本発明は、ガス分離方法に関する。
従来、原料ガスに含まれる所定のガス成分を分離する方法として、圧力スイング吸着法（Pressure Swing Adsorption法、ＰＳＡ法）が用いられてきた（例えば特許文献１参照）。ＰＳＡ法は、吸着剤に対するガス成分の吸着量がガス種及びその分圧によって異なることを利用した分離方法である。ＰＳＡ法は、通常、吸着剤にガス成分を吸着させる工程（吸着工程）、吸着剤へのガス成分の吸着率を高めるために、他の吸着塔で脱着された脱着ガスの一部を洗浄ガスとして供給する工程（洗浄工程）、及び吸着したガス成分を吸着剤から脱着させてガスを回収する工程（脱着工程）を有する。
上記ＰＳＡ法は、種々の分野に適用されているが、原料ガスに含まれる一成分を吸着させることにより、高濃度のガスを製造する方法として利用されることが多い。ＰＳＡ法は、「加圧－常圧」の圧力差を用いる加圧方式と、「常圧（または微加圧）－減圧」の圧力差を用いる吸引方式があり、後者についてはＶＳＡ法（Vacuum Swing Adsorption）と呼ばれることもある。
ところで近年、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ＣＯ２有効利用（Carbon dioxide Capture and Utilization、ＣＣＵ）プロセスが検討されている。ＣＣＵのような反応プロセスでは、高純度の原料ガスでなくても原料ガスとして使用できるため、ガス分離設備の低廉化が可能である。
上記ＣＣＵに好適なガス分離設備として、本出願人は、特許文献２において、吸着剤からのガス脱着時間が吸着ガス種によって異なる特性を利用して、ガス脱着時間の差によりガス分離を行う方法を提案した。この方法によれば、例えば製鉄プロセスから排出される高炉ガス（ＣＯ２、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素（Ｎ２）を含む）から、吸着力が強いＣＯ２と吸着力が弱いＣＯ、Ｎ２を効率的に分離することができる。ここで、分離されるＣＯ２は、正確には一部ＣＯやＮ２などの不純物ガスも含むガス（ＣＯ２リッチガス）であるが、以下、説明の簡略化のため、ＣＯ２と称する。
上記特許文献２に記載された簡易的なガス分離方法を用いることによって、ＣＣＵ化学品の製造コストを低減することが可能である。しかし一方で、特許文献２に記載された方法によって分離されるガスは、運転方法によって不純物を多く含むガスとして分離される場合がある。そのため、ＣＣＵプロセスにおける反応器の触媒性能に影響を及ぼす可能性がある。
ＣＣＵに用いられる反応器は、その目的とする反応生成物により様々な触媒が用いられるが、触媒性能は、温度や圧力などの反応条件だけでなく、原料ガスの組成にも影響を受ける。例えばＣＯ２以外の不純物ガス成分により失活しやすい触媒を用いる場合、高純度なＣＯ２が必要となる。一方で、触媒性能に影響を及ぼさない不純物ガス成分であれば、そのまま反応器に供給することができるため、高純度のＣＯ２は不要である。
このように、反応器の触媒ごとに求められる原料ガスＣＯ２の純度が異なる場合、ＣＯ２純度に応じてそれぞれ適切なＣＯ２分離設備を選定する必要がある。例えば高純度のＣＯ２が必要な場合には、化学吸収法のような高純度ＣＯ２が得られるＣＯ２分離設備が好適である。また、高純度のＣＯ２が不要な場合には、例えば上述のＰＳＡ法などを用いることによって簡易的にＣＯ２分離を行うことができる。
一方で、このように反応器ごとに異なるＣＯ２分離設備を設ける場合、複数の設備を設けることによる建設コスト増大や運転要員の増加など、様々なデメリットが生じる。また、ＣＯ２分離設備の処理能力により各反応器の生産量が制約を受けるため、各反応器間での生産量バランスを柔軟に調整することができない。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧力スイング吸着法により、原料ガスから複数のガス利用設備にそれぞれ適したガスを分離して供給することができるガス分離方法を提供することにある。
上記課題を解決する本発明は、以下の通りである。
［１］２種以上のガス成分を含有する原料ガスから、圧力スイング吸着法により目的ガス成分を吸着分離するガス分離方法であって、
前記原料ガスを吸着剤が充填された吸着塔へ導入し、前記吸着剤に前記目的ガス成分を吸着させる目的ガス成分吸着工程と、
前記目的ガス成分吸着工程で前記吸着剤に吸着された前記目的ガス成分を脱着させて前記目的ガス成分を含む脱着ガスを前記吸着塔から排出する目的ガス成分脱着工程と、
前記目的ガス成分脱着工程で前記吸着塔から排出された前記脱着ガスを、２基以上の異なるガス利用設備に供給する脱着ガス供給工程と、
を備え、
前記目的ガス成分脱着工程は、前記脱着ガス供給工程における前記脱着ガスの前記ガス利用設備への供給先を切り替える脱着ガス利用設備切替工程を有することを特徴とするガス分離方法。
［１］２種以上のガス成分を含有する原料ガスから、圧力スイング吸着法により目的ガス成分を吸着分離するガス分離方法であって、
前記原料ガスを吸着剤が充填された吸着塔へ導入し、前記吸着剤に前記目的ガス成分を吸着させる目的ガス成分吸着工程と、
前記目的ガス成分吸着工程で前記吸着剤に吸着された前記目的ガス成分を脱着させて前記目的ガス成分を含む脱着ガスを前記吸着塔から排出する目的ガス成分脱着工程と、
前記目的ガス成分脱着工程で前記吸着塔から排出された前記脱着ガスを、２基以上の異なるガス利用設備に供給する脱着ガス供給工程と、
を備え、
前記目的ガス成分脱着工程は、前記脱着ガス供給工程における前記脱着ガスの前記ガス利用設備への供給先を切り替える脱着ガス利用設備切替工程を有することを特徴とするガス分離方法。
［２］前記原料ガスが、少なくとも二酸化炭素および一酸化炭素を含有することを特徴とする、前記［１］に記載のガス分離方法。
［３］前記原料ガスが、還元炉から排出される排ガスであることを特徴とする、前記［１］または［２］に記載のガス分離方法。
［４］前記脱着ガス利用設備切替工程における前記ガス利用設備への供給先の切り替えが、前記脱着工程を複数の時間帯に区分けし、区分けされた複数の時間帯の境界にて実施されることを特徴とする、前記［１］～［３］のいずれか一項に記載のガス分離方法。
［５］前記脱着ガス供給工程の前段に、前記原料ガスまたは前記脱着ガスから硫黄を除去する脱硫工程、および前記原料ガスまたは前記脱着ガスに含まれる一酸化炭素および水から二酸化炭素を生成する水性ガスシフト反応工程のいずれか一方あるいは両方をさらに備えることを特徴とする、前記［１］～［４］のいずれか一項に記載のガス分離方法。
［６］前記目的ガス成分吸着工程は、前記目的ガス成分吸着工程において前記吸着剤に吸着されなかった非吸着ガス成分を含む吸着オフガスを、前記２基以上の異なるガス利用設備の１基に供給する吸着オフガス供給工程をさらに備える、前記［１］～［５］のいずれか一項に記載のガス分離方法。
［７］前記目的ガス成分吸着工程は、前記吸着オフガスの前記ガス利用設備への供給先を、前記吸着オフガスにおける前記目的ガス成分の濃度に基づいて切り替える吸着オフガス利用設備切替工程を有する、前記［６］に記載のガス分離方法。
［８］前記目的ガス成分脱着工程の後段かつ前記脱着ガス供給工程の前段に、前記吸着塔から排出された前記目的ガス成分の濃度が異なる前記脱着ガスを混合するガス混合工程をさらに備えることを特徴とする、前記［１］～［７］のいずれか一項に記載のガス分離方法。
［９］前記２基以上のガス利用設備の１基がメタノール合成反応器であることを特徴とする、前記［１］～［８］のいずれか一項に記載のガス分離方法。
［１０］前記２基以上のガス利用設備の１基がメタン合成反応器であることを特徴とする、前記［１］～［９］のいずれか一項に記載のガス分離方法。
［１１］前記２基以上のガス利用設備の１基がＣＯ２液化設備であることを特徴とする、前記［１］～［８］のいずれか一項に記載のガス分離方法。
［１２］前記ガス利用設備の生成物を前記還元炉における還元材として供給することを特徴とする、前記［２］または［３］を引用する前記［１０］、あるいは前記［２］または［３］を引用する前記［１１］に記載のガス分離方法。
本発明によれば、圧力スイング吸着法により、原料ガスから複数のガス利用設備にそれぞれ適したガスを分離して供給することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本発明によるガス分離方法は、２種以上のガス成分を含有する原料ガスから、圧力スイング吸着法により目的ガス成分を吸着分離するガス分離方法であり、原料ガスを吸着剤が充填された吸着塔へ導入し、吸着剤に目的ガス成分を吸着させる目的ガス成分吸着工程と、目的ガス成分吸着工程で吸着剤に吸着された目的ガス成分を脱着させて目的ガス成分を含む脱着ガスを吸着塔から排出する目的ガス成分脱着工程と、目的ガス成分脱着工程で吸着塔から排出された脱着ガスを、２基以上の異なるガス利用設備に供給する脱着ガス供給工程とを備える。ここで、目的ガス成分脱着工程は、脱着ガス供給工程における脱着ガスのガス利用設備への供給先を切り替える脱着ガス利用設備切替工程を有することを特徴とする。
図１は、本発明によるガス分離方法のフローチャートを示している。まず、ステップＳ１において、原料ガスを吸着剤が充填された吸着塔へ導入し、吸着剤に目的ガス成分を吸着させる（目的ガス成分吸着工程）。
原料ガスは、２種以上のガス成分を含有するガスであれば、特に限定されないが、少なくともＣＯ２およびＣＯを含有することが好ましい。ＣＯ２およびＣＯは、大気中に放散すると地球温暖化の一因となり得る一方で、メタンやメタノールなどの燃料を合成する原料や、還元炉における還元材として有効に利用することができる。また、ＣＯについては、熱量が高いため、燃料ガスとして利用することもできる。そこで、原料ガスは、少なくともＣＯ２およびＣＯを含有することが好ましい。
こうしたＣＯ２およびＣＯを含有する原料ガスとしては、製鉄所で発生する副生ガスを用いることができる。副生ガスとしては、高炉やシャフト炉などの還元炉から排出される排ガスを用いることができる。特に、高炉から排出される高炉ガスは、ＣＯ２を豊富に含むだけでなく、ＣＯも含む。原料ガスがＣＯを含む場合、後述する脱着ガス供給工程において供給するガス利用設備が用いる触媒によっては、ＣＯに起因した炭素析出による触媒劣化などが懸念される。しかし、本発明においては、こうした設備に供給する脱着ガスのＣＯ含有量を制御することができるため、原料ガスとして高炉ガスを問題なく使用することができる。
上記のような原料ガスを吸着剤が充填された吸着塔へ導入し、吸着剤に目的ガス成分を吸着させる。吸着塔に充填される吸着剤は、吸着剤に吸着させる目的ガス成分に応じて適切に選択することができる。目的ガス成分は、特に限定されず、例えばＣＯ２やＣＯとすることができる。目的ガス成分がＣＯ２である場合、吸着剤としては１３Ｘゼオライトなどを好適に用いることができる。
次に、ステップＳ２において、ステップＳ１において吸着剤に吸着された目的ガス成分を脱着させて、目的ガス成分を含む脱着ガスを吸着塔から排出する（目的ガス成分脱着工程）。上記目的ガス成分の吸着剤からの脱着および吸着塔からの排出は、吸着塔に真空ポンプを接続して行うことができる。
本発明においては、脱着ガスの組成（目的ガス成分の濃度）の時間変化を利用して、脱着工程を複数の時間帯に区分けして、脱着ガスを時間帯毎に分けて排出する。すなわち、例えばＣＯ２の吸着剤として用いられる１３Ｘゼオライトは、Ｎ２やＣＯのような吸着力が小さいガス成分については圧力に対して線形な吸着特性を有する。これに対し、ＣＯ２のような吸着力が大きいガス成分については吸着量が大きく、且つ圧力に対して非線形な吸着特性を有する。
このようにガス成分によって圧力に対応した吸着・脱着特性が異なる吸着剤を用いる場合、脱着工程においてガス成分が脱着するタイミングに差異が生じる。具体的には、圧力に対して線形な吸着特性を有するガス成分（例えば、ＣＯ、Ｎ２）は、高圧状態から減圧する過程で脱着する。これに対し、圧力に対して非線形な吸着特性を有するガス成分（例えば、ＣＯ２）は、高圧状態ではほとんど脱着せず、低圧状態まで減圧された時点で急激に脱着する。
このようなガス成分の脱着タイミングの差に応じて、例えば、不純物ガス成分の多い脱着工程初期の脱着ガスは、原料ガスの不純物含有が許容されるガス利用設備へ供給する。これに対し、不純物ガス成分の少ない脱着工程後期の脱着ガスについては、高純度の原料ガスが必要となる別のガス利用設備へ供給する。これら両方のガス利用設備への脱着ガス供給量および脱着ガスの目的ガス成分の濃度の調整は、脱着工程における区分けする時間帯の長さを変更することによって、容易に調整可能である。
そして、ステップＳ２１において、後述するステップＳ３において行う脱着ガス供給工程における脱着ガスのガス利用設備への供給先を切り替える（脱着ガス利用設備切替工程）。上記切り替えは、脱着工程を複数の時間帯に区分けし、区分けされた複数の時間帯の境界にて行うことができる。これにより、脱着ガスが、その組成（目的ガス成分の濃度）に基づいて適切なガス利用設備に供給することができる。
続いて、ステップＳ３において、ステップＳ２において前記吸着塔から排出された脱着ガスを、２基以上の異なるガス利用設備に供給する（脱着ガス供給工程）。これにより、脱着ガスは、その組成（目的ガス成分の濃度）に基づいて適切なガス利用設備に供給される。
ここで、「ガス利用設備」とは、反応器、改質器、凝縮器など、脱着ガスまたは吸着オフガスを化学的または物理的に変化させることによって目的物質を得る設備を意味している。上記反応器としては、メタノール合成反応器やメタン合成反応器などを挙げることができる。また、改質器としては、水性ガスシフト改質器や、メタンとＣＯ２とを反応させるドライリフォーミング設備などを挙げることができる。さらに、凝縮器としては、ＣＯ２液化設備やガス深冷分離設備などを挙げることができる。
上記の中でも、２基以上の異なるガス利用設備の１基を、メタノール合成反応器とすることが好ましい。メタノールは燃料として利用することができ、ＣＯ２とＨ２との下記式（１）の反応、またはＣＯとＨ２との下記の式（２）の反応により生成することができる。
ＣＯ２ ＋ ３Ｈ２ → ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ （１）
ＣＯ ＋ ２Ｈ２ → ＣＨ３ＯＨ （２）
ＣＯ２ ＋ ３Ｈ２ → ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ （１）
ＣＯ ＋ ２Ｈ２ → ＣＨ３ＯＨ （２）
メタノール合成において一般的に使用されるＣｕ－Ｚｎ触媒は、ＣＯを含む原料ガスでも炭素析出による触媒性能劣化が起こりにくい。また、ＣＯを若干含む原料ガスの方が、ＣＯ２からＣＯに変換される副反応が抑制されるため、ＣＯ２からメタノールに変換する反応の収率が向上するという利点もある。このように、ガス利用設備がメタノール合成反応器である場合には、ＣＯ２の濃度が高くない脱着ガスであっても、メタノール合成用の原料ガスとして利用可能である。そのため、脱着工程において比較的濃度の高いＣＯが脱着される脱着工程中期の時間帯に得られる脱着ガスをメタノール合成器に供給することができ、本発明における脱着ガスの濃度制御を有効利用することができる。
また、２基以上の異なるガス利用設備の１基を、メタン合成反応器とすることが好ましい。メタンは、燃料として利用できるばかりでなく、還元炉における酸化物の還元のための還元材として利用することもできる。メタンは、ＣＯ２とＨ２との下記式（３）の反応、またはＣＯとＨ２との下記の式（４）の反応により生成することができる。
ＣＯ２ ＋ ４Ｈ２ → ＣＨ４ ＋ ２Ｈ２Ｏ （３）
ＣＯ ＋ ３Ｈ２ → ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ （４）
ＣＯ２ ＋ ４Ｈ２ → ＣＨ４ ＋ ２Ｈ２Ｏ （３）
ＣＯ ＋ ３Ｈ２ → ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ （４）
ＣＯ２からのメタン合成で使用されるＮｉ触媒は、ＣＯを含む原料ガスを用いた場合に炭素析出による触媒性能の劣化が生じる場合がある。そのため、脱着工程において高濃度のＣＯ２が脱着される脱着工程後期の時間帯に得られる脱着ガスを、メタノール合成器に供給するように構成する。
さらに、２基以上の異なるガス利用設備の１基を、ＣＯ２液化設備とすることが好ましい。原料ガスが、ＣＯ２およびＣＯを含有する混合ガスであり、吸着剤がゼオライトである場合、脱着工程の後期に脱着されるガス成分の大半は、吸着剤への吸着力が強いＣＯ２であり、脱着ガスは高純度のＣＯ２ガスとして排出される。そのため、脱着工程後期に排出される脱着ガスは、ＣＯ２貯留（ＣＣＳ）などを目的としたＣＯ２液化設備に供給することができる。
なお、原料ガスが少なくともＣＯ２およびＣＯを含有するガス、または還元炉から排出された排ガスである場合に、ガス利用設備の生成物を還元炉における還元材として供給することができる。ガス利用設備における生成物は上記メタノールに限定されず、鉄鉱石などの還元炉原料に対して還元性を有するものであれば、特定の物質に限定されない。また、気体、液体など物理性状についても、同様に限定されない。
例えば、ガス利用設備がメタン合成反応器である場合に、生成されたメタンは、鉄鉱石などの酸化物に対して還元作用を有するため、還元炉における還元材として用いることができる。特に、メタン合成反応器の原料ガスがＣＯ２である場合、ＣＯ２をメタンに変換してＣを循環利用するカーボンリサイクル型の還元プロセスを構築することが可能となる。また、メタン合成反応は発熱反応であるが、生成した高温のメタンをそのまま還元炉における還元材として用いることによって、メタン合成の反応熱も有効利用することができる。
こうして、ＰＳＡ法により、原料ガスから複数のガス利用設備にそれぞれ適したガスを分離して供給することができる。
上記本発明において、脱着ガス供給工程の前段に、原料ガスまたは脱着ガスから硫黄を除去する脱硫工程、および原料ガスまたは前記脱着ガスに含まれるＣＯおよび水（Ｈ２Ｏ）からＣＯ２を生成する水性ガスシフト反応工程のいずれか一方あるいは両方をさらに備えることができる。
すなわち、ガス利用設備が、硫黄により触媒性能が劣化しやすい場合には、脱着ガスをガス利用設備に供給する前に、脱硫設備においてガスに含まれる硫黄を除去することが好ましい（脱硫工程）。このように、脱硫工程は、ガス利用設備で用いる触媒等の性能に応じて行うか否かを選択可能である。
脱硫工程を行う場合、ガス利用設備に脱着ガスを供給する脱着ガス供給工程の前段であれば、行う段階は特に限定されない。例えば、ガス利用設備のうちいずれか１基の前段に脱硫設備を設置して脱硫工程を行うこともできる。また、ＰＳＡ設備の前段に脱硫設備を設置して原料ガスに含まれる硫黄を除去した後に、脱硫後の原料ガスをＰＳＡ設備に供給して、全てのガス利用設備に脱硫された脱着ガスを供給するようにすることができる。
また、水性ガスシフト反応工程は、ＣＯとＨ２Ｏとの下記の式（５）の反応を行わせる工程であり、当該反応の反応率によってＣＯ濃度とＣＯ２濃度とのバランスを調整することができる。
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２ （５）
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２ （５）
例えば、ガス利用設備においてＣＯ濃度の許容値が小さい場合や、ＣＯ２濃度の要求値が高い場合においては、脱着ガス供給工程の前処理工程として水性ガスシフト反応工程を行うことによって、上記ガス利用設備の要求を満足させることが可能である。
上記脱硫工程および水性ガスシフト反応工程は、ともにガス利用設備の仕様に応じて、適宜行うことができる。また、上記脱硫工程および水性ガスシフト反応工程の両工程を、脱着ガス供給工程の前段で連続して行うことができる。その場合、脱硫工程を行った後に、水性ガスシフト反応工程を行うことが好ましい。両工程をこの順に行うことによって、水性ガスシフト反応を行う設備に供給される前に、ガス中の硫黄が除去される。そのため、水性ガスシフト反応工程を行う設備の触媒が硫黄と接触することがなくなり、触媒劣化速度を遅くすることができ、より好ましい。
また、目的ガス成分脱着工程の後段かつ脱着ガス供給工程の前段に、吸着塔から排出された目的ガス成分の濃度が異なる脱着ガスを混合するガス混合工程をさらに備えることが好ましい。すなわち、脱着工程において複数の時間帯に区分けして排出した脱着ガスをそのままガス利用設備へ供給する場合、脱着ガスの組成変動がそのままガス利用設備の原料ガスの組成変動に繋がり、ガス利用設備の生産効率に影響を及ぼし得る。そのため、ガス利用設備の上流側にタンクなどのガス混合設備を設けて、所定の期間に排出された脱着ガスを集めて十分に混合して脱着ガスの組成を平準化し、組成変動による影響を低減した後に、ガス利用設備へ供給することが好ましい。これにより、ガス利用設備の生産効率への影響を低減することができる。
上記脱着ガス供給工程においては、ガス利用設備に供給するガスは、目的ガス成分脱着工程において得られた脱着ガスとしている。本発明においては、それに加えて、目的ガス成分吸着工程において吸着剤に吸着されなかった非吸着ガス成分を含む吸着オフガスをガス利用設備に供給することができる（吸着オフガス供給工程）。すなわち、ガス利用設備において、主反応ガス（例えばＣＯ２）以外の不純物ガス（例えばＣＯ）の許容量が大きい場合には、ＰＳＡ設備の吸着工程における非吸着ガス成分を含む吸着オフガスなど、不純物ガスを多く含むガスについても、ガス利用設備に供給して利用することができる。
ここで、「非吸着ガス成分」とは、吸着工程において単に吸着剤に吸着しなかったガス成分を意味しており、吸着剤への吸着力のないガス成分を意味しない。例えば、原料ガスがＣＯ２、ＣＯおよびＨ２を含有し、吸着剤がゼオライトである場合、吸着剤への吸着力はＣＯ２、ＣＯおよびＨ２の順に高い。そのため、吸着工程初期の吸着オフガスは、Ｈ２が大半を占める。しかし、吸着工程を継続すると、破過してＣＯ２も吸着剤に吸着しなくなる。こうした破過により吸着剤に吸着しなかったＣＯ２も上記「非吸着ガス成分」に含まれる。
上述のように吸着オフガスをガス利用設備に供給する場合、吸着オフガスのガス利用設備への供給先を、吸着オフガスにおける目的ガス成分の濃度に基づいて切り替えることが好ましい（吸着オフガス利用設備切替工程）。
すなわち、目的ガス成分吸着工程において吸着剤に吸着されなかった非吸着ガス成分を含む吸着オフガスについても、脱着ガスと同様に、その組成（目的ガス成分の濃度）が時間とともに変動する。上述のように、例えば原料ガスがＣＯ２、ＣＯおよびＨ２を含有し、吸着剤がゼオライトである場合、吸着工程初期の吸着オフガスは、Ｈ２が大半を占め、吸着工程を継続するについて、ＣＯの濃度が高くなる。そのため、吸着工程初期のオフガスについては、Ｈ２を利用するガス利用設備に供給し、吸着工程中期については、ＣＯ２を利用する設備に供給することができ、吸着オフガスの組成に応じてガス利用設備により適切なガスを供給することができるようになる。
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されない。
図２に示すガス分離プロセスのフロー図に従って、高炉ガスをガス分離設備に導入し、脱着ガスをガス利用設備に供給した。具体的には、まず、還元炉である高炉から排出された高炉ガスを、前処理設備により改質および清浄化した。次いで、改質および清浄化したガスを原料ガスとして、ガス分離設備（ＰＳＡ設備）を構成する２本の吸着塔のうち、排気ラインのバルブＶ１のバルブが開状態かつＶ２のバルブが閉状態にある吸着塔（他方の吸着塔は、Ｖ１のバルブが閉状態かつＶ２のバルブが開状態）に導入し、高炉ガスに含まれるＣＯ２を吸着塔に充填された吸着剤（１３Ｘゼオライト）に吸着させた（目的ガス成分吸着工程）。この目的ガス成分吸着工程において吸着剤に吸着しなかった吸着オフガスは、Ｃｕ－Ｚｎ触媒を用いたメタノール合成反応器の前段に設けられたガスタンク１に導入した。
次に、真空ポンプＶＰにより吸着剤に吸着されたＣＯ２を脱着させ、ＣＯ２を含む脱着ガスを吸着塔から排出した（目的ガス成分脱着工程）。この目的ガス成分脱着工程では、脱着ガスの組成の時間変化に応じて２つの時間帯に区分けし、脱着工程前期の時間帯では、吸着塔のバルブＶ１を閉状態、バルブＶ２を開状態に切り替え、バルブＶ３を開状態、バルブＶ４を閉状態にして、比較的ＣＯ２濃度が低い脱着ガスをメタノール合成反応器の前段に設けられたガスタンク１に導入して吸着オフガスと混合した（混合工程）。ついで、脱着工程後期の時間帯では、バルブＶ３を閉状態、バルブＶ４を開状態に変更して脱着ガスの供給先をメタン合成反応器に切り替え、比較的ＣＯ２濃度が高い脱着ガスを、Ｎｉ触媒を用いたメタン合成反応器の前段に設けられたガスタンク２に導入した。そして、ガスタンク１およびガスタンク２に導入されたガスが十分に混合された段階で、ガスタンク１内のガスについては、Ｈ２ガスとともにメタノール合成反応器に供給し、メタノールを合成した。一方、ガスタンク２内のガスについては、Ｈ２ガスとともにメタン合成反応器に供給し、メタンを合成した。合成されたメタンは、還元炉である高炉に、鉄鉱石に含まれる酸化物を還元するための還元材として供給した。
圧力スイング吸着法により、原料ガスから複数のガス利用設備にそれぞれ適したガスを分離して供給することができるため、製鉄業において有用である。
Claims (12)
- ２種以上のガス成分を含有する原料ガスから、圧力スイング吸着法により目的ガス成分を吸着分離するガス分離方法であって、
前記原料ガスを吸着剤が充填された吸着塔へ導入し、前記吸着剤に前記目的ガス成分を吸着させる目的ガス成分吸着工程と、
前記目的ガス成分吸着工程で前記吸着剤に吸着された前記目的ガス成分を脱着させて前記目的ガス成分を含む脱着ガスを前記吸着塔から排出する目的ガス成分脱着工程と、
前記目的ガス成分脱着工程で前記吸着塔から排出された前記脱着ガスを、２基以上の異なるガス利用設備に供給する脱着ガス供給工程と、
を備え、
前記目的ガス成分脱着工程は、前記脱着ガス供給工程における前記脱着ガスの前記ガス利用設備への供給先を切り替える脱着ガス利用設備切替工程を有することを特徴とするガス分離方法。 - 前記原料ガスが、少なくとも二酸化炭素および一酸化炭素を含有することを特徴とする、請求項１に記載のガス分離方法。
- 前記原料ガスが、還元炉から排出される排ガスであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のガス分離方法。
- 前記脱着ガス利用設備切替工程における前記ガス利用設備への供給先の切り替えが、前記脱着工程を複数の時間帯に区分けし、区分けされた複数の時間帯の境界にて実施されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のガス分離方法。
- 前記脱着ガス供給工程の前段に、前記原料ガスまたは前記脱着ガスから硫黄を除去する脱硫工程、および前記原料ガスまたは前記脱着ガスに含まれる一酸化炭素および水から二酸化炭素を生成する水性ガスシフト反応工程のいずれか一方あるいは両方をさらに備えることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のガス分離方法。
- 前記目的ガス成分吸着工程は、前記目的ガス成分吸着工程において前記吸着剤に吸着されなかった非吸着ガス成分を含む吸着オフガスを、前記２基以上の異なるガス利用設備の１基に供給する吸着オフガス供給工程をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載のガス分離方法。
- 前記目的ガス成分吸着工程は、前記吸着オフガスの前記ガス利用設備への供給先を、前記吸着オフガスにおける前記目的ガス成分の濃度に基づいて切り替える吸着オフガス利用設備切替工程を有する、請求項６に記載のガス分離方法。
- 前記目的ガス成分脱着工程の後段かつ前記脱着ガス供給工程の前段に、前記吸着塔から排出された前記目的ガス成分の濃度が異なる前記脱着ガスを混合するガス混合工程をさらに備えることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載のガス分離方法。
- 前記２基以上のガス利用設備の１基がメタノール合成反応器であることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載のガス分離方法。
- 前記２基以上のガス利用設備の１基がメタン合成反応器であることを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載のガス分離方法。
- 前記２基以上のガス利用設備の１基がＣＯ２液化設備であることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載のガス分離方法。
- 前記ガス利用設備の生成物を前記還元炉における還元材として供給することを特徴とする、請求項２または３を引用する請求項１０、あるいは請求項２または３を引用する請求項１１に記載のガス分離方法。
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| WWE | Wipo information: entry into national phase |
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| ENP | Entry into the national phase |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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