JP2019150769A - Gas separation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス分離方法に関する。 The present invention relates to a gas separation method.
製鉄所においては、コークス炉、高炉、転炉等の設備から副生ガスと呼ばれるガスが発生する。この副生ガスには、水素（以下、「Ｈ2」とも言う。）、一酸化炭素（以下、「ＣＯ」とも言う。）、メタン（以下、「ＣＨ4」とも言う。）といった燃料として利用可能な成分のほかに、窒素（以下、「Ｎ2」とも言う。）、二酸化炭素（以下、「ＣＯ2」とも言う。）が含有されている。特に、高炉炉頂から排出される高炉ガスは、体積では製鉄所から排出される副生ガスの８割を占めるとともに、製鉄所から排出されるＣＯ2の約４割がここに含まれている。 In steelworks, gas called by-product gas is generated from equipment such as a coke oven, a blast furnace, and a converter. The by-product gas is used as fuel such as hydrogen (hereinafter also referred to as “H 2 ”), carbon monoxide (hereinafter also referred to as “CO”), and methane (hereinafter also referred to as “CH 4 ”). In addition to the possible components, nitrogen (hereinafter also referred to as “N 2 ”) and carbon dioxide (hereinafter also referred to as “CO 2 ”) are contained. In particular, the blast furnace gas discharged from the top of the blast furnace occupies 80% of the by-product gas discharged from the steelworks by volume, and about 40% of the CO 2 discharged from the steelworks is included here. .
最近のＣＯ2排出削減の要請から、ＣＯ2を分離回収する技術の開発が多方面で行われており、化学吸収法を筆頭として様々な手法が提案されている。その中でも圧力スイング吸着法（以下、「ＰＳＡ法」とも言う。）は、分離回収に要する動力が比較的小さいこと、化学反応を利用した方法と異なり常温での運転が可能な場合が多いこと、時間当たりで数千Ｎｍ3程度の比較的大規模なガス処理も可能であることから、有用な技術の一つである（例えば、特許文献１参照）。 In response to recent demands for CO 2 emission reduction, development of technology for separating and recovering CO 2 has been carried out in various fields, and various methods have been proposed, starting with the chemical absorption method. Among them, the pressure swing adsorption method (hereinafter also referred to as “PSA method”) requires relatively little power for separation and recovery, and is often capable of being operated at room temperature unlike a method utilizing a chemical reaction. Since a relatively large-scale gas treatment of about several thousand Nm 3 per hour is possible, this is one of useful techniques (for example, see Patent Document 1).
ＰＳＡ法は、活性炭やゼオライトといった、上記のガス成分に対してそれぞれ異なる吸着性能を有する材料（吸着剤）を充填した吸着塔に、原料ガスを導入することにより、吸着剤に比較的吸着しやすいガス成分（通常複数のガス種である）と、比較的吸着しづらいガス成分（これも通常複数のガス種である）とを分離する方法である。通常は、原料ガスの導入を所定時間行うことによって、原料ガス中の吸着しやすいガス成分を吸着剤に吸着させ（以下、「吸着工程」と言う。）、その後に、上記のガス導入時よりも吸着塔内を減圧することによって吸着したガス成分を脱着させて回収するとともに、吸着剤のガス吸着性能の再生を行うこと（以下、「脱着工程」と言う。）により、ガスの分離操作を繰り返すことが可能となる。 The PSA method is relatively easy to adsorb to the adsorbent by introducing the raw material gas into an adsorption tower filled with materials (adsorbents) having different adsorption performances for the above gas components such as activated carbon and zeolite. This is a method for separating a gas component (usually a plurality of gas species) and a gas component that is relatively difficult to adsorb (also usually a plurality of gas species). Usually, by introducing the raw material gas for a predetermined time, the gas component that is easily adsorbed in the raw material gas is adsorbed to the adsorbent (hereinafter referred to as “adsorption process”), and thereafter, from the time of the gas introduction described above. In addition, the gas component adsorbed by depressurizing the inside of the adsorption tower is desorbed and recovered, and the gas adsorption performance of the adsorbent is regenerated (hereinafter referred to as “desorption process”), thereby separating the gas. It becomes possible to repeat.
ここで、分離したい原料ガスに含まれるガス成分の吸着剤への吸着性能にあまり差がない場合、例えば同じガス分圧での吸着量が数十倍程度の差しかない場合には、分離されたガスも、先述のように複数種のガス成分を含む混合ガスであることが多い。このため、高炉ガスを活性炭やゼオライトを用いてガス成分毎に分離させると、ＣＯ2を主成分として、ＣＯやＮ2も多少含んだガスと、それ以外のガスに分離される。 Here, when there is not much difference in the adsorption performance of the gas component contained in the raw material gas to be separated to the adsorbent, for example, when the amount of adsorption at the same gas partial pressure is about several tens of times, it was separated. The gas is also often a mixed gas containing a plurality of types of gas components as described above. For this reason, when the blast furnace gas is separated for each gas component using activated carbon or zeolite, it is separated into a gas containing CO 2 as a main component and a little CO and N 2 and other gases.
そのため、従来は吸着工程と脱着工程の間に、脱着工程で得られたガスの一部を吸着塔に導入して、吸着剤に吸着したＣＯやＮ2を脱着させることによって、これらの成分を減少させる工程（以下、「洗浄工程」と言う。）を行う。しかしながら、洗浄工程を行っても微量のＣＯやＮ2は残存するとともに、洗浄工程で使用されるガスは脱着工程で脱着するガスを使用するため、当然ながら最終的に得られるガスの量は減少してしまう。 Therefore, conventionally, a part of the gas obtained in the desorption step is introduced into the adsorption tower between the adsorption step and the desorption step, and these components are removed by desorbing CO and N 2 adsorbed on the adsorbent. A reduction step (hereinafter referred to as “cleaning step”) is performed. However, a small amount of CO and N 2 remain even after the cleaning process, and the gas used in the cleaning process uses the gas that is desorbed in the desorption process. Resulting in.
先述したように、ＣＯやＨ2は燃料として利用されるが、これらがＣＯ2とともに分離されてしまうと、このような微量の燃料成分および多量の不燃性成分を含むガスは、燃料として使用することができない。そのため、こうしたガスは、可燃性のガスを添加して燃焼処理して排出することになり、製鉄所としてはエネルギーの損失となる。また、損失分の燃料を外部より購入しなくてはならず、この燃料が化石燃料の場合には、ＣＯ2排出削減の効果を減じることになる。また、分離回収したＣＯ2ガスは、液化して貯留することが想定されているが、毒性を有するＣＯを含有した状態では、その取扱いには注意を要する。 As described above, CO and H 2 are used as fuel, but if they are separated together with CO 2 , such a gas containing a small amount of fuel component and a large amount of non-flammable component is used as fuel. I can't. For this reason, such a gas is discharged after being combusted by adding a combustible gas, resulting in a loss of energy for the steelworks. In addition, the fuel for the loss must be purchased from the outside, and if this fuel is fossil fuel, the effect of reducing CO 2 emissions will be reduced. In addition, it is assumed that the separated and recovered CO 2 gas is stored in a liquefied state, but in the state containing toxic CO, the handling thereof requires caution.
このように、ＰＳＡ法により高炉ガスからＣＯ2ガスを分離して回収するに際し、分離されたガスに含まれるＣＯの濃度を低減することが望まれている。そこで、本発明の目的は、原料ガスから特定のガス成分を分離して回収する際に、他の特定のガス成分の濃度を低減して回収することができるガス分離方法を提案することにある。 Thus, when separating and recovering CO 2 gas from blast furnace gas by the PSA method, it is desired to reduce the concentration of CO contained in the separated gas. Accordingly, an object of the present invention is to propose a gas separation method capable of reducing and recovering the concentration of other specific gas components when a specific gas component is separated and recovered from the source gas. .
上記課題を解決する本発明の要旨構成は以下の通りである。すなわち、
（１）吸着剤への吸着力の最も高い第１ガス成分、および、該第１ガス成分よりも吸着剤への吸着力が低い第２ガス成分、を含む２種類以上のガス成分を含む混合ガスである原料ガスを、前記吸着剤が充填された吸着塔に導入する吸着工程と、前記吸着剤に吸着させたガス成分を脱着させ吸着塔より排気する脱着工程からなる圧力スイング吸着法によって分離する方法であって、
前記吸着工程と前記脱着工程との間に、前記第２ガス成分の分圧が、前記脱着ガスにおける第２成分の分圧よりも低いガスを第１洗浄ガスとして前記吸着塔へ導入する第１洗浄工程を備えることを特徴とするガス分離方法。
The gist configuration of the present invention for solving the above-described problems is as follows. That is,
(1) Mixing including two or more kinds of gas components including the first gas component having the highest adsorption power to the adsorbent and the second gas component having lower adsorption power to the adsorbent than the first gas component The raw material gas, which is a gas, is separated by a pressure swing adsorption method comprising an adsorption process for introducing the gas into the adsorption tower filled with the adsorbent and a desorption process for desorbing the gas component adsorbed on the adsorbent and exhausting it from the adsorption tower. A way to
Between the adsorption step and the desorption step, a first gas is introduced into the adsorption tower as a first cleaning gas with a gas whose partial pressure of the second gas component is lower than the partial pressure of the second component in the desorption gas. A gas separation method comprising a cleaning step.
（２）前記第１ガス成分が二酸化炭素であり、前記第２ガス成分が一酸化炭素である、前記（１）に記載のガス分離方法。 (2) The gas separation method according to (1), wherein the first gas component is carbon dioxide and the second gas component is carbon monoxide.
（３）前記第１洗浄ガスは窒素ガスである、前記（２）に記載のガス分離方法。 (3) The gas separation method according to (2), wherein the first cleaning gas is nitrogen gas.
（４）前記原料ガスは高炉ガスである、前記（２）または（３）に記載のガス分離方法。 (4) The gas separation method according to (2) or (3), wherein the source gas is a blast furnace gas.
（５）前記吸着剤はゼオライトである、前記（２）〜（４）のいずれか一項に記載のガス分離方法。 (5) The gas separation method according to any one of (2) to (4), wherein the adsorbent is zeolite.
（６）前記第１洗浄工程と前記脱着工程との間に、前記脱着工程において排気された脱着ガスの一部を第２洗浄ガスとして前記吸着塔に導入する第２洗浄工程をさらに備える、前記（２）〜（５）のいずれか一項に記載のガス分離方法。 (6) The method further includes a second cleaning step between the first cleaning step and the desorption step, wherein a part of the desorption gas exhausted in the desorption step is introduced as a second cleaning gas into the adsorption tower. The gas separation method according to any one of (2) to (5).
本発明によれば、原料ガスから特定のガス成分を分離して回収する際に、他の特定のガス成分の濃度を低減して回収することができる。 According to the present invention, when a specific gas component is separated and recovered from the source gas, the concentration of the other specific gas component can be reduced and recovered.
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、吸着剤への吸着力の最も高い第１ガス成分、および、該第１ガス成分よりも吸着剤への吸着力が低い第２ガス成分、を含む２種類以上のガス成分を含む混合ガスである原料ガスを、上記吸着剤が充填された吸着塔に導入する吸着工程と、上記吸着剤に吸着させたガス成分を脱着させ吸着塔より排気する脱着工程からなる圧力スイング吸着法によって分離する方法である。ここで、上記吸着工程と上記脱着工程との間に、第２ガス成分の分圧が、脱着ガス中の第２成分の分圧よりも低いガスを第１洗浄ガスとして吸着塔へ導入する第１洗浄工程を備えることを特徴とする。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The gas separation method according to the present invention includes two or more kinds of first gas components having the highest adsorption power to the adsorbent and a second gas component having lower adsorption power to the adsorbent than the first gas component. Pressure consisting of an adsorption step of introducing a raw material gas, which is a mixed gas containing gas components, into the adsorption tower filled with the adsorbent, and a desorption step of desorbing the gas component adsorbed on the adsorbent and exhausting it from the adsorption tower It is a method of separating by a swing adsorption method. Here, between the adsorption step and the desorption step, a second gas component having a partial pressure lower than the partial pressure of the second component in the desorption gas is introduced into the adsorption tower as the first cleaning gas. One cleaning step is provided.
先述したように、複数のガス成分を含む原料ガスから、特定のガス成分（第１ガス成分）を分離して回収するガス分離方法として、「吸着工程」、「洗浄工程」、「脱着工程」の３工程からなる方法を挙げることができる。図１は、従来のガス分離工程の一例を説明する模式図を示している。以下、この図を用いて、高炉ガスからＣＯ2ガスを分離して回収する方法について説明する。 As described above, as a gas separation method for separating and recovering a specific gas component (first gas component) from a raw material gas containing a plurality of gas components, “adsorption process”, “cleaning process”, “desorption process” The method which consists of these 3 processes can be mentioned. FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an example of a conventional gas separation process. Hereinafter, a method for separating and recovering CO 2 gas from blast furnace gas will be described with reference to FIG.
まず、図１（ａ）に示すように、ゼオライト等の吸着剤が充填された吸着塔に高炉ガスを導入し、高炉ガスに含まれるガス成分を吸着剤に吸着させる（吸着工程）。吸着されなかったガス成分は、オフガスとして吸着塔から排気される。高炉ガスは、主にＣＯ2、ＣＯ、Ｎ2をガス成分として含み、吸着剤に吸着するガス成分の割合は、各ガス成分と吸着剤への吸着の強さ、および、成分原料ガスにおける各ガス成分の分圧に依存する。吸着剤としてゼオライトを使用する場合、吸着剤への吸着力の強さは、ＣＯ2が最も高く、次いでＣＯ、Ｎ2の順となる。なお、図１において、四角（□）はＣＯ2、三角（△）はＣＯ、丸（○）はＮ2をそれぞれ示している。 First, as shown in FIG. 1 (a), a blast furnace gas is introduced into an adsorption tower filled with an adsorbent such as zeolite, and a gas component contained in the blast furnace gas is adsorbed by the adsorbent (adsorption process). The gas component that has not been adsorbed is exhausted from the adsorption tower as off-gas. The blast furnace gas mainly contains CO 2 , CO, and N 2 as gas components, and the ratio of the gas components adsorbed to the adsorbent depends on the strength of the adsorption to each gas component and the adsorbent and the component raw material gas. Depends on the partial pressure of the gas component. When zeolite is used as the adsorbent, the strength of the adsorbing power on the adsorbent is highest for CO 2 , followed by CO and N 2 in this order. In FIG. 1, squares (□) indicate CO 2 , triangles (Δ) indicate CO, and circles (◯) indicate N 2 .
次に、図１（ｂ）に示すように、次工程である脱着工程において排気された、ＣＯ2の濃度が高い脱着ガスの一部を、洗浄ガスとして吸着塔に導入する（洗浄工程）。すると、吸着剤に吸着していたガス成分のうち、洗浄ガスにおける分圧の低いＣＯ（△）およびＮ2（○）の一部がＣＯ2（□）によって置換され、吸着剤に吸着するＣＯ2（□）の割合が高められる。置換されて吸着剤から脱着したＣＯ（△）およびＮ2（○）は、オフガスとして吸着塔から排気される。 Next, as shown in FIG. 1B, a part of the desorption gas having a high CO 2 concentration exhausted in the next desorption step is introduced into the adsorption tower as a cleaning gas (cleaning step). Then, among the gas components adsorbed on the adsorbent, CO (Δ) and part of N 2 (◯) having a low partial pressure in the cleaning gas are replaced by CO 2 (□), and CO adsorbed on the adsorbent. 2 The ratio of (□) is increased. CO (Δ) and N 2 (◯) that have been substituted and desorbed from the adsorbent are exhausted from the adsorption tower as off-gas.
最後に、図１（ｃ）に示すように、真空ポンプ等の排気手段により、吸着塔内の圧力を低減して、吸着剤に吸着したガス成分を脱着させ、得られた脱着ガスを吸着塔から排気する。そして、排気した脱着ガスの一部は、上述のように洗浄工程にある吸着塔に導入され、残りのガスは回収ガスとして回収される。こうして、高炉ガスから高濃度のＣＯ2ガスを分離して回収することができる。 Finally, as shown in FIG. 1 (c), the pressure in the adsorption tower is reduced by exhaust means such as a vacuum pump to desorb the gas component adsorbed on the adsorbent, and the obtained desorbed gas is adsorbed to the adsorption tower. Exhaust from. A part of the exhausted desorption gas is introduced into the adsorption tower in the cleaning step as described above, and the remaining gas is recovered as a recovery gas. Thus, a high concentration CO 2 gas can be separated and recovered from the blast furnace gas.
また、吸着塔を３本とし、それぞれの吸着塔で上記吸着工程、洗浄工程および脱着工程を繰り返し行うとともに、３本の吸着塔間で行う工程をずらすことにより、高炉ガスからＣＯ2ガスを連続的に分離して回収することができる。 Further, the number of adsorption towers is three, and the adsorption process, the washing process and the desorption process are repeated in each adsorption tower, and the CO 2 gas is continuously supplied from the blast furnace gas by shifting the processes performed between the three adsorption towers. Can be separated and recovered.
上述のように、従来のガス分離方法においては、脱着工程において排気された脱着ガスの一部を、洗浄工程にある吸着塔に洗浄ガスとして導入している。しかし、最終的に得られる脱着ガスには、高炉ガスに比べれば濃度は低いものの、燃料成分であるＣＯが含まれている。このＣＯは燃料としては使用されないため、エネルギーの損失に繋がるとともに、分離回収したＣＯ2ガスを液化して貯留する場合には、その危険性から取り扱いに注意を要する。 As described above, in the conventional gas separation method, a part of the desorption gas exhausted in the desorption process is introduced as a cleaning gas into the adsorption tower in the cleaning process. However, the desorbed gas finally obtained contains CO, which is a fuel component, although its concentration is lower than that of the blast furnace gas. Since this CO is not used as a fuel, it leads to a loss of energy, and when the separated and recovered CO 2 gas is stored in a liquefied manner, handling is required due to its danger.
本発明者らは、従来のガス分離方法のように、洗浄工程にある吸着塔に脱着ガスの一部を導入する限り、脱着ガスに含まれるＣＯの濃度をこれ以上低減することは困難であるとの結論に至った。そこで、本発明者らは、従来のガス分離方法よりも、脱着ガスに含まれるＣＯの濃度を低減する方途について鋭意検討した結果、洗浄工程を二段階とし（工程として「第１洗浄工程」、「第２洗浄工程」、導入するガスとして「第１洗浄ガス」、「第２洗浄ガス」と表記）、吸着工程と脱着工程との間に、脱着ガスにおけるＣＯの分圧よりもＣＯの分圧が低いガス（第１洗浄ガス）を吸着塔に導入する洗浄工程（第１洗浄工程）を行うことに想到したのである。 As long as a part of the desorption gas is introduced into the adsorption tower in the cleaning step as in the conventional gas separation method, it is difficult to further reduce the concentration of CO contained in the desorption gas. I came to the conclusion. Therefore, as a result of intensive studies on a method for reducing the concentration of CO contained in the desorption gas, the present inventors made the cleaning process into two stages (the “first cleaning process” as a process, “Second cleaning step”, “Introduced as“ first cleaning gas ”,“ second cleaning gas ””), the CO content is greater than the partial pressure of CO in the desorption gas between the adsorption step and the desorption step. It was conceived to perform a cleaning process (first cleaning process) in which a gas having a low pressure (first cleaning gas) is introduced into the adsorption tower.
図２は、本発明によるガス分離方法の一例を説明する模式図である。まず、図２（ａ）に示すように、従来のガス分離方法と同様に、ゼオライト等の吸着剤が充填された吸着塔に高炉ガスを導入し、高炉ガスに含まれるガス成分を吸着剤に吸着させる（吸着工程）。 FIG. 2 is a schematic diagram for explaining an example of the gas separation method according to the present invention. First, as shown in FIG. 2A, as in the conventional gas separation method, blast furnace gas is introduced into an adsorption tower filled with an adsorbent such as zeolite, and the gas components contained in the blast furnace gas are used as the adsorbent. Adsorb (adsorption process).
次に、図２（ｂ）に示すように、Ｎ2ガス（例えば、９９．９体積％）を吸着塔に導入する（第１洗浄工程、Ｎ2ガス洗浄工程）。すると、吸着剤に吸着したガス成分のうち、ＣＯ（△）がＮ2（○）により置換されて吸着剤から脱着することが分かった。 Next, as shown in FIG. 2B, N 2 gas (for example, 99.9% by volume) is introduced into the adsorption tower (first cleaning step, N 2 gas cleaning step). Then, it was found that CO (Δ) was replaced by N 2 (◯) among the gas components adsorbed on the adsorbent and desorbed from the adsorbent.
上記置換の原理は以下の通りである。すなわち、吸着剤に吸着するガス成分の割合は、吸着剤への吸着力の強さだけではなく、吸着塔に導入されるガスに含まれるガス成分の分圧によって決定される。上記の第１洗浄ガスであるＮ2ガスに含まれるＣＯの分圧は、従来のガス分離方法において得られる脱着ガスに含まれるＣＯの分圧よりも低く、実質的にゼロである。 The principle of the substitution is as follows. That is, the ratio of the gas component adsorbed by the adsorbent is determined not only by the strength of the adsorbing force to the adsorbent but also by the partial pressure of the gas component contained in the gas introduced into the adsorption tower. The partial pressure of CO contained in the N 2 gas, which is the first cleaning gas, is lower than the partial pressure of CO contained in the desorption gas obtained in the conventional gas separation method, and is substantially zero.
そのため、吸着塔にＮ2ガスを導入すると、吸着剤への吸着力がＮ2よりも高いＣＯ（△）であっても、ゼオライトへの吸着力がより低いＮ2（○）によって、いずれは置換されて吸着剤から脱着し、脱着したＣＯ（△）は吸着塔から排出される。なお、Ｎ2ガスの導入を続けると、最終的には、ゼオライトへの吸着力が最も高いＣＯ2（□）も、Ｎ2（○）により置換されて脱着される。よって、Ｎ2ガスを、適切な時間導入することにより、ＣＯ（△）のみをＮ2（○）により置換して脱着させることができる。 Therefore, the introduction of N 2 gas to the adsorption tower, the adsorption force to the adsorbent is higher than N 2 CO (△) be a suction force lower N 2 of the zeolite (○), all the The substituted CO (Δ) is desorbed from the adsorbent, and the desorbed CO (Δ) is discharged from the adsorption tower. If the introduction of N 2 gas is continued, finally, CO 2 (□) having the highest adsorption power to zeolite is also replaced by N 2 (◯) and desorbed. Therefore, by introducing N 2 gas for an appropriate time, only CO (Δ) can be replaced with N 2 (◯) and desorbed.
こうして、吸着工程において吸着剤に吸着したＣＯ（△）をＮ2（○）で置換した後、図２（ｃ）に示すように、従来のガス分離方法と同様の洗浄工程（第２洗浄工程、脱着ガス洗浄工程）を行う。これにより、第１洗浄工程（Ｎ2ガス洗浄工程）において吸着剤に吸着したＮ2（○）をＣＯ2（□）によって置換して、吸着剤に吸着するＣＯ2（□）の割合を高めることができる。 Thus, after replacing CO (Δ) adsorbed on the adsorbent in the adsorption step with N 2 (◯), as shown in FIG. 2 (c), the same washing step as the conventional gas separation method (second washing step) , Desorption gas cleaning step). Thus, N 2 adsorbed on the adsorbent in the first washing step (N 2 gas cleaning process) to (○) is replaced by CO 2 (□), increasing the proportion of CO 2 to be adsorbed by the adsorbent (□) be able to.
最後に、図２（ｄ）に示すように、従来のガス分離方法と同様の脱着工程を行い、高濃度のＣＯ2ガスである脱着ガスを排気して回収することができる。このように、本発明によるガス分離方法によれば、脱着ガスに含まれるＣＯの濃度を低減することができる。 Finally, as shown in FIG. 2 (d), a desorption step similar to the conventional gas separation method is performed, and the desorption gas which is a high concentration CO 2 gas can be exhausted and recovered. Thus, according to the gas separation method of the present invention, the concentration of CO contained in the desorption gas can be reduced.
図３は、本発明によるガス分離方法において使用できるガス分離装置の一例を示している。この図に示したガス分離装置は、３本の吸着塔１９１〜１９３と、高炉ガスを吸着塔１９１〜１９３に導入するブロア等の送風手段１２０と、吸着塔１９１〜１９３から脱着ガスを排気する真空ポンプ等の排気手段２１０とを備える。
FIG. 3 shows an example of a gas separation apparatus that can be used in the gas separation method according to the present invention. The gas separation apparatus shown in this figure exhausts desorbed gas from three
吸着塔１９１〜１９３には、高炉ガスを供給する高炉ガス母管１１１が、送風手段１２０、ガスの前処理手段を有する装置１３０、流量調節弁１４１、自動弁１５１、１６１、１７１を介して、Ｎ2ガスを供給するＮ2ガス配管１１２が、流量調節弁１４２、自動弁１５２、１６２、１７２を介して、脱着ガスの一部を、排気装置２１０、自動弁１８１より供給する管が自動弁１５３、１６３、１７３を介して、それぞれ接続されている。
In the adsorption towers 191 to 193, a blast furnace
また、吸着塔１９１〜１９３には、排気手段２１０に接続する管が自動弁１５４、１６４、１７４を介して、高炉ガスを吸着塔１９１〜１９３に供給した際に吸着剤に吸着しなかったオフガスを排気するための管が自動弁１５６、１６６、１７６を介して、Ｎ2ガスおよび脱着ガスの一部が吸着塔１９１〜１９３に供給された際に吸着剤から脱着したオフガスを排気するための管が自動弁１５５、１６５、１７５を介して、それぞれ接続されている。これらの自動弁１５１〜１７６は、例えば図４に例示する吸着塔の運転工程を実現するよう、運転中の時間に応じて弁の開閉が自動で制御される。
The adsorption towers 191 to 193 include off-gases that have not been adsorbed by the adsorbent when the pipe connected to the exhaust means 210 is supplied to the adsorption towers 191 to 193 via the
以下、高炉ガスからＣＯ2ガスを分離して回収する場合を例として、上記ガス分離装置の動作について説明する。まず、製鉄所内における高炉ガス母管１１１から枝管で引き込まれた高炉ガスを、送風手段１２０により加圧する。ここで、圧力としては大気圧以上であればよいが、後述する前処理手段１３０、吸着塔１９１〜１９３の吸着剤充填層の圧力損失を考慮して、１５０ｋＰａ（１．５気圧）程度まで加圧して通気するのが望ましい。加圧を１５０ｋＰａ（１．５気圧）を超えた値にすると、加圧動力が大きくなるため、好ましくない。
Hereinafter, the operation of the gas separation apparatus will be described by taking as an example a case where CO 2 gas is separated and recovered from blast furnace gas. First, the blast furnace gas drawn by the branch pipe from the blast furnace
次に、前処理手段１３０により、高炉ガスの除塵や除湿を行う。吸着塔１９１〜１９３に充填する吸着剤としてゼオライトを使用する場合には、除湿後の高炉ガスの露点は０℃を超えないことが好ましい。これにより、ゼオライトの性能の劣化を防止することができる。吸着剤として、活性炭等の水分の影響をあまり受けないものを使用する場合には、それぞれの吸着剤に応じて適切に除湿すればよい。 Next, the blast furnace gas is dedusted and dehumidified by the pretreatment means 130. When zeolite is used as the adsorbent packed in the adsorption towers 191 to 193, it is preferable that the dew point of the blast furnace gas after dehumidification does not exceed 0 ° C. Thereby, deterioration of the performance of zeolite can be prevented. When using an adsorbent that is not significantly affected by moisture such as activated carbon, the adsorbent may be appropriately dehumidified depending on the adsorbent.
続いて、上述のように除湿した高炉ガスを、流量調節弁１４１により流量を適宜調整して、吸着塔１９１〜１９３に導入する（吸着工程）。吸着塔１９１〜１９３に原料ガスである高炉ガスを導入すると、吸着塔１９１〜１９３内の圧力は、減圧状態から背圧弁２００で設定された圧力に達するまで上昇する。
Subsequently, the blast furnace gas dehumidified as described above is introduced into the adsorption towers 191 to 193 by appropriately adjusting the flow rate by the flow rate control valve 141 (adsorption step). When the blast furnace gas, which is a raw material gas, is introduced into the adsorption towers 191 to 193, the pressure in the adsorption towers 191 to 193 increases from the reduced pressure state until reaching the pressure set by the
吸着塔１９１〜１９３内の圧力が背圧弁２００で設定された圧力に達すると、吸着剤に吸着しなかったガス成分は、オフガスとして吸着塔１９１〜１９３から排気され、吸着塔１９１〜１９３内の圧力はほぼ一定に保たれる。排出されたオフガスは、自動弁１５６、１６６、１７６、背圧弁２００を介して、オフガスタンク２２２に収容される。
When the pressure in the adsorption towers 191 to 193 reaches the pressure set by the
背圧弁２００の設定圧は、吸着剤の特性や高炉ガスの組成等に応じて適宜設定できるが、常圧〜１５０ｋＰａ程度が好ましい。設定圧が１５０ｋＰａを超えると、送風手段１２０として比較的高価な圧縮機等を用いる必要があるため、コスト上好ましくない。
The set pressure of the
また、流量調整弁１４１により調整される高炉ガスの流量は、吸着剤の特性および高炉ガスの組成等に応じて適宜設定する。一般的な傾向として、流量が少なすぎると分離回収されるＣＯ2量が少なくなり、流量が多すぎると吸着剤に吸着せずにオフガスに混合して排気されるＣＯ2量が増えるため、好ましくない。目安としては、高炉ガスを流通した際に、高炉ガスに含まれるＣＯ2が吸着剤に十分に吸着せずにオフガスに混入することによって、オフガス中のＣＯ2濃度が増加する直前に流通を停止して次工程に移るように、自動弁の開閉時間を設定するのが好ましい。
Further, the flow rate of the blast furnace gas adjusted by the flow
次に、Ｎ2ガス配管１１２からＮ2ガスを吸着塔に導入する（第１洗浄工程、Ｎ2ガス洗浄工程）。Ｎ2ガスの流量は、流量調整弁１４２により調整し、自動弁１５２、１６２、１７２を介して吸着塔１９１〜１９３に導入される。Ｎ2ガスの流通によって吸着剤から脱着されたオフガスは、自動弁１５５、１６５、１７５を介して吸着塔１９１〜１９３から排出される。
Then introduced from the N 2 gas pipe 112 and N 2 gas to the adsorption tower (first cleaning step, N 2 gas washing step). The flow rate of the N 2 gas is adjusted by the flow
上記Ｎ2ガスの流量は、吸着剤の特性や後述する脱着ガスに含まれるＣＯ濃度等によって適宜調整する。一例としては、高炉ガス流量の０．１〜２．０倍程度が望ましい。０．１倍未満の場合、Ｎ2ガス流通によって吸着剤から追い出されるＣＯの量が少なすぎ、２．０倍を超える場合、吸着剤に吸着するＣＯの量が少なすぎて効果は小さい。なお、ここで使用されるＮ2ガスとしては、例えば、製鉄所内にある空気分離設備（深冷分離設備）で副生するＮ2の利用が可能である。 The flow rate of the N 2 gas is appropriately adjusted according to the characteristics of the adsorbent, the CO concentration contained in the desorption gas described later, and the like. As an example, about 0.1 to 2.0 times the blast furnace gas flow rate is desirable. If it is less than 0.1 times, the amount of CO expelled from the adsorbent by N 2 gas circulation is too small, and if it exceeds 2.0 times, the amount of CO adsorbed on the adsorbent is too small and the effect is small. As the N 2 gas as used herein, for example, it is possible to use the N 2 by-produced in an air separation facility (cryogenic separation facilities) in the steel works.
続いて、後述する脱着工程において得られた脱着ガスの一部を、自動弁１５３、１６３、１７３を介して吸着塔１９１〜１９３に導入する（第２洗浄工程、脱着ガス洗浄工程）。脱着ガスの導入によって吸着剤から脱着されたオフガスは、自動弁１５５、１６５、１７５を介して吸着塔１９１〜１９３から排出される。
Subsequently, a part of the desorption gas obtained in the desorption process described later is introduced into the adsorption towers 191 to 193 via the
吸着塔への脱着ガスの導入は、真空ポンプ等の排気手段２１０を使用し、後述する脱着工程にある吸着塔を減圧することにより脱着される脱着ガスを、排気手段２１０の吐出側にある自動弁１８１を介して行われる。その際、自動弁１８２は閉の状態である。脱着ガスの流量は、自動弁１８１が開となる時間で制御される。この時間は、脱着ガスに含まれるＣＯ2の濃度によって調整し、自動弁１８１が開状態の時間が長いほどＣＯ2濃度は上昇し、短いほどＣＯ2濃度は低下する。
The introduction of the desorption gas into the adsorption tower uses an exhaust means 210 such as a vacuum pump, and the desorption gas desorbed by depressurizing the adsorption tower in the desorption process described later is automatically placed on the discharge side of the exhaust means 210. This is done via
次いで、吸着塔１９１〜１９３内を排気手段２１０によって、自動弁１５４、１６４、１７４を介して吸着塔内を減圧し、吸着剤に吸着していたガス成分を脱着させ、得られた脱着ガスを排気する（脱着工程）。脱着ガスは、真空ポンプ２１０の吐出側の自動弁１８１および１８２によって流路が分けられ、１８１が開（１８２が閉）の場合には、上述した脱着ガスによる洗浄工程にある吸着塔に送られる。また、１８２が開（１８１が閉）の場合には脱着したガスは、脱着ガスタンク２２１に集められて、液化設備２３０等に送られる。
Next, the inside of the adsorption towers 191 to 193 is depressurized by the exhaust means 210 via the
なお、吸着工程にある吸着塔から排出されたオフガスは、自動弁１５６、１６６、１７６および背圧弁２００を介して、放圧時およびＮ2ガス洗浄工程あるいは脱着ガス洗浄工程にある吸着塔から排出されるガスは、自動弁１５５、１６５、１７５を介して、それぞれオフガスタンク２２２に集められ、高炉ガス母管１１１に戻される。
The off-gas exhausted from the adsorption tower in the adsorption process is exhausted from the adsorption tower in the N 2 gas cleaning process or desorption gas cleaning process at the time of depressurization through the
こうして、高炉ガスからＣＯ2を分離して回収する際に、ＣＯの濃度を低減して回収することができる。 Thus, when CO 2 is separated and recovered from the blast furnace gas, the CO concentration can be reduced and recovered.
なお、上記説明においては、第１洗浄工程（Ｎ2ガス洗浄工程）では、洗浄ガス（第１洗浄ガス）として、Ｎ2ガスを使用しているが、従来のガス分離方法において得られる脱着ガスにおけるＣＯの分圧よりもＣＯの分圧が低い、任意のガスを用いることにより、従来のガス分離方法に比べて、脱着ガス（回収ガス）に含まれるＣＯの濃度を低減できることは明らかである。 In the above description, N 2 gas is used as the cleaning gas (first cleaning gas) in the first cleaning step (N 2 gas cleaning step), but the desorption gas obtained in the conventional gas separation method is used. It is clear that the concentration of CO contained in the desorption gas (recovered gas) can be reduced by using an arbitrary gas having a lower CO partial pressure than the CO partial pressure in the case of the conventional gas separation method. .
例えば、第１洗浄ガスとして、実質的にＣＯ2からなるＣＯ2ガスを導入することにより、上記効果を得ることができる。しかし、ＣＯ2は分離して回収する対象のガスであることから、ＣＯ2ガスよりも、製鉄所に豊富に存在するＮ2ガスを第１洗浄ガスとして使用することが好ましい。製鉄所では、例えば空気分離設備（深冷分離設備）において副生ガスとしてＮ2ガスが生成されており、９９．９体積％以上の高純度のＮ2ガスを得ることができ、これを好適に使用することができる。 For example, the first cleaning gas, by introducing the CO 2 gas consisting essentially of CO 2, the above effect can be obtained. However, since CO 2 is a gas to be separated and recovered, it is preferable to use N 2 gas, which is present in abundant steelworks, as the first cleaning gas rather than CO 2 gas. In steelworks, for example, N 2 gas is generated as a by-product gas in air separation equipment (deep-cooling separation equipment), and high purity N 2 gas of 99.9% by volume or more can be obtained. Can be used for
以上、高炉ガスからＣＯ2ガスを分離する場合を例に、本発明によるガス分離方法について説明したが、本発明の特徴は、脱着ガスにおけるＣＯの分圧よりもＣＯの分圧が低い第１洗浄ガスを吸着塔に導入する第１洗浄工程を行うことにある。よって、その他の構成は特に限定されず、従来公知の構成を適切に行うことができる。 The gas separation method according to the present invention has been described above by taking as an example the case of separating CO 2 gas from blast furnace gas. The feature of the present invention is that the partial pressure of CO is lower than the partial pressure of CO in the desorption gas. The first cleaning process is to introduce the cleaning gas into the adsorption tower. Therefore, other configurations are not particularly limited, and a conventionally known configuration can be appropriately performed.
例えば、吸着塔に充填する吸着剤としては、ゼオライトやシリカゲル活性アルミナ、活性炭等の従来公知のものを適切に使用することができる。中でも、ＣＯ2の吸着力が高いことから、ゼオライトを用いることが好ましい。 For example, as the adsorbent filled in the adsorption tower, conventionally known ones such as zeolite, silica gel activated alumina, activated carbon and the like can be appropriately used. Among them, it is preferable to use zeolite because of its high CO 2 adsorption power.
また、上述の方法においては、吸着工程と脱着工程との間に、従来のガス分離方法と同様に洗浄工程（第２洗浄工程、脱着ガス洗浄工程）を行っているが、この第２洗浄工程は必ずしも必須ではなく、必要に応じて省略することができる。ただし、回収するＣＯ2ガスの濃度を高める点では、第２洗浄工程を備えることが好ましい。 Further, in the above-described method, a cleaning step (second cleaning step, desorption gas cleaning step) is performed between the adsorption step and the desorption step in the same manner as the conventional gas separation method. Is not necessarily required, and may be omitted as necessary. However, in terms of increasing the concentration of the recovered CO 2 gas, it is preferable to include a second cleaning step.
さらに、本発明は、高炉ガスからのＣＯ2の分離に限定されず、原料ガスから所定のガス成分を分離する際に、他の特定のガス成分の濃度を低減して分離回収する場合に適用できることは明らかである。よって、本発明は、原料ガスの種類や、分離回収対象のガス成分は限定されない。 Furthermore, the present invention is not limited to the separation of CO 2 from the blast furnace gas, but is applied to the case of separating and recovering the concentration of other specific gas components when separating a predetermined gas component from the raw material gas. Obviously we can do it. Therefore, in the present invention, the type of source gas and the gas component to be separated and recovered are not limited.
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は実施例に何ら限定されない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the examples.
（発明例）
図３のガス分離装置を模した、３本の吸着塔を備える小型の実験装置を用い、高炉ガスを模した模擬ガスからＣＯ2ガスを分離して回収した。上記模擬ガスの組成は、Ｈ2：４．５％、Ｎ2：４２．５体積％、ＣＯ：２１．５体積％、ＣＯ2：３１．５体積％とした。また、吸着剤としては、ＮａＸ型ゼオライト（東ソー（株）製、商品名：ゼオラム）を使用し、各吸着塔に１００ｇずつ充填した。
(Invention example)
Using a small experimental apparatus equipped with three adsorption towers simulating the gas separation apparatus of FIG. 3, CO 2 gas was separated and recovered from the simulated gas simulating blast furnace gas. The composition of the simulated gas was H 2 : 4.5%, N 2 : 42.5% by volume, CO: 21.5% by volume, and CO 2 : 31.5% by volume. As the adsorbent, NaX type zeolite (manufactured by Tosoh Corporation, trade name: Zeolum) was used, and 100 g each was packed in each adsorption tower.
ＣＯ2ガスの分離は、図４に示した運転工程に従って行った。具体的には、実験装置全体の工程時間を３００ｓｅｃとし、各工程は吸着時間を１００ｓｅｃ、放圧時間を１５ｓｅｃ、Ｎ2ガス洗浄時間を１５ｓｅｃ、脱着ガス洗浄時間を２０ｓｅｃ、待機時間を８０ｓｅｃ、脱着時間を７０ｓｅｃとした。 The separation of the CO 2 gas was performed according to the operation process shown in FIG. Specifically, the process time of the entire experimental apparatus is set to 300 sec. Each process has an adsorption time of 100 sec, a pressure release time of 15 sec, an N 2 gas cleaning time of 15 sec, a desorption gas cleaning time of 20 sec, a standby time of 80 sec, and a desorption. The time was set to 70 seconds.
吸着工程では、流量が３．３５ＮＬ／ｍｉｎとなるように制御して、模擬ガスを吸着塔に導入した。また、背圧弁により、吸着工程の吸着塔内の圧力が１５１ｋＰａになるよう調整した。 In the adsorption step, the simulated gas was introduced into the adsorption tower while controlling the flow rate to be 3.35 NL / min. Moreover, it adjusted so that the pressure in the adsorption tower of an adsorption process might be set to 151 kPa with the back pressure valve.
また、第１洗浄工程（Ｎ2ガス洗浄工程）では、流量が６．２５ＮＬ／ｍｉｎとなるように制御してＮ2ガスを吸着塔に導入した。さらに、脱着工程では、真空ポンプの到達圧は１０ｋＰａになるよう、真空ポンプの入側に設置したニードルバルブの開度で調整した。 In the first cleaning step (N 2 gas cleaning step), N 2 gas was introduced into the adsorption tower while controlling the flow rate to be 6.25 NL / min. Furthermore, in the desorption process, the opening pressure of the needle valve installed on the inlet side of the vacuum pump was adjusted so that the ultimate pressure of the vacuum pump was 10 kPa.
（比較例）
発明例と同様に、模擬ガスからＣＯ2ガスを分離して回収した。ただし、第１洗浄工程（Ｎ2ガス洗浄工程）を行わなかった。その他の条件は発明例と全て同じである。
(Comparative example)
Similar to the inventive examples, CO 2 gas was separated from the simulated gas and recovered. However, the first cleaning process (N 2 gas cleaning process) was not performed. Other conditions are the same as those of the invention examples.
＜脱着ガスおよびオフガスの成分組成の評価＞
発明例について、脱着ガスの組成を調べたところ、ＣＯ2：９１．２体積％、ＣＯ：２２ｐｐｍ、Ｎ2：８．８％であった。また、オフガスの組成はＣＯ2：１０．４体積％、ＣＯ：２０．４体積％、Ｎ2：６４．９体積％、Ｈ2：４．３体積％であった。また、第１洗浄工程（Ｎ2ガス洗浄工程）におけるオフガスの組成を調べたところ、ＣＯ2：１０．４体積％、ＣＯ：２０．４体積％、Ｎ2：６４．９体積％、Ｈ2：４．３体積％であった。この第１洗浄工程でのＣＯの回収率はほぼ１００％であり、原料ガス中のＣＯのロスは、ほぼ無視できるレベルであった。
<Evaluation of component composition of desorption gas and off gas>
When the composition of the desorption gas was examined for the inventive example, it was CO 2 : 91.2% by volume, CO: 22 ppm, N 2 : 8.8%. The composition of the off gas was CO 2 : 10.4% by volume, CO: 20.4% by volume, N 2 : 64.9% by volume, and H 2 : 4.3% by volume. Further, the off-gas composition in the first cleaning step (N 2 gas cleaning step) was examined. CO 2 : 10.4% by volume, CO: 20.4% by volume, N 2 : 64.9% by volume, H 2 : 4.3% by volume. The CO recovery rate in the first cleaning step was almost 100%, and the loss of CO in the source gas was at a level that could be ignored.
これに対して、比較例については、脱着ガスの組成は、ＣＯ2：９２．３体積％、ＣＯ：４３３００ｐｐｍ、Ｎ2：３．３％であった。また、第１洗浄工程（Ｎ2ガス洗浄工程）におけるオフガスの組成は、ＣＯ2：７．３体積％、ＣＯ：２８．３体積％、Ｎ2：５８．１体積％、Ｈ2：６．３体積％であった。第１洗浄工程でのＣＯの回収率は９４．３％であり、原料ガス中のＣＯの５．７％が、ＣＯ2を主成分とする脱着ガスに含まれており、ロスしていた。 On the other hand, in the comparative example, the composition of the desorption gas was CO 2 : 92.3% by volume, CO: 43300 ppm, and N 2 : 3.3%. The composition of the off-gas in the first cleaning step (N 2 gas cleaning step) is as follows: CO 2 : 7.3 vol%, CO: 28.3 vol%, N 2 : 58.1 vol%, H 2 : 6. It was 3% by volume. The CO recovery rate in the first cleaning step was 94.3%, and 5.7% of the CO in the raw material gas was contained in the desorption gas containing CO 2 as a main component and was lost.
本発明によれば、原料ガスから特定のガス成分を分離して回収する際に、他の特定のガス成分の濃度を低減して回収することができるため、製鉄業において有用である。 According to the present invention, when a specific gas component is separated and recovered from a raw material gas, the concentration of the other specific gas component can be reduced and recovered, which is useful in the steel industry.
１１１ 高炉ガス母管
１１２ Ｎ2ガス配管
１２０ 送風手段
１３０ 前処理手段
１４１、１４２ 流量調節弁
１５１〜１７６，１８１，１８２ 自動弁
１９１〜１９３ 吸着塔
２００ 背圧弁
２１０ 排気手段
２２１ 脱着ガスタンク
２２２ オフガスタンク
２３０ 液化設備
111 Blast Furnace Gas Main Pipe 112 N 2 Gas Pipe 120
Claims (6)
前記吸着工程と前記脱着工程との間に、前記第２ガス成分の分圧が、前記脱着ガスにおける第２成分の分圧よりも低いガスを第１洗浄ガスとして前記吸着塔へ導入する第１洗浄工程を備えることを特徴とするガス分離方法。 A mixed gas containing two or more kinds of gas components including a first gas component having the highest adsorption power to the adsorbent and a second gas component having a lower adsorption power to the adsorbent than the first gas component. A method in which a raw material gas is separated by a pressure swing adsorption method comprising an adsorption process for introducing a raw material gas into an adsorption tower filled with the adsorbent and a desorption process for desorbing a gas component adsorbed on the adsorbent and exhausting it from the adsorption tower. There,
Between the adsorption step and the desorption step, a first gas is introduced into the adsorption tower as a first cleaning gas with a gas whose partial pressure of the second gas component is lower than the partial pressure of the second component in the desorption gas. A gas separation method comprising a cleaning step.
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