JP5780063B2

JP5780063B2 - 酸素富化空気を製造するシステムおよび方法

Info

Publication number: JP5780063B2
Application number: JP2011188042A
Authority: JP
Inventors: 智英中村; 谷原　望; 望谷原
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2031-08-30
Also published as: JP2013049008A

Description

本発明は、酸素富化空気の製造方法であって、酸素富化空気の製造量と酸素濃度とを簡便な方法で調整できる方法に関する。

酸素富化空気は、ゴミ焼却炉や下水の汚泥焼却炉などの燃焼装置、生ゴミ処理機、自動車、燃料電池、農業、漁業、バイオ分野等での生物の育成促進装置、健康機器、医療機器等、様々な分野で利用されている。これらの分野においては、酸素富化空気を用いることにより、酸素濃度が約２１％の空気を用いる場合に比べて、熱エネルギーの使用効率を高めることができたり、大気汚染の問題を生じる窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の排出を低減したりすることができる。

酸素富化空気の利用においては、用途に応じて異なる酸素濃度が要求される。例えば、燃焼装置で酸素富化空気を用いる場合、酸素濃度が高すぎると炉内温度が上昇し、炉材質が耐えられないため、酸素富化空気中の酸素濃度が２１モル％以上５０モル％以下程度であることが求められる。

酸素富化空気を製造する方法としては、空気を原料とし、低温液化空気分離装置や酸素ＰＳＡを用いた方法が知られているが（特許文献１）、これらの方法は、装置が大掛かりであり、ランニングコストも高いという問題がある。さらに、低温液化空気分離装置により得られた液体酸素や、酸素ＰＳＡから発生した酸素富化空気は、酸素濃度が約９０％以上で純度が高すぎるため、用途によっては空気で希釈してから使用されており、エネルギー効率の面においても問題がある。

酸素富化空気を製造する別の方法として、ガス分離膜を用いる方法も知られている（特許文献２等）。この方法は、酸素を選択的に透過するガス分離膜を用いて、空気を透過ガス（酸素富化空気）と非透過ガス（窒素富化空気）とに分離する方法であり、酸素濃度が２２〜５０モル％程度と比較的低い酸素富化空気を製造することが可能である。

ガス分離膜により製造された酸素富化空気を燃焼炉等で用いる際、酸素富化空気の所定の酸素濃度を維持したまま需要量（流量）を変動させたい場合がある。酸素富化空気の需要量の変動に対しては、ガス分離膜へ供給する原料空気の圧力を調整することにより酸素富化空気の流量を制御することができる。しかし、単純にガス分離膜へ供給する空気の圧力を変えるだけでは、製造される酸素富化空気の酸素濃度が変動してしまい、所定の酸素濃度を維持できないという問題があった。

特許３６９４３４３号公報特許４２５４２７１号公報

本発明は、空気を原料として酸素富化空気の製造を行う際の上記問題点を解決することを目的とする。

本発明は以下の事項に関する。

１．空気圧縮機と、
酸素富化空気と窒素富化空気を製造する空気分離装置と、
を備え、
前記空気分離装置への空気の供給圧力を調整することにより酸素富化空気の流量を制御し、かつ、
窒素富化空気の流量を調整することにより酸素富化空気の酸素濃度を制御する、
システム。

２．酸素富化空気の必要な流量が変動したとき、前記空気分離装置への空気の供給圧力を調整して酸素富化空気の流量を調整し、かつ、窒素富化空気の流量を調整して酸素富化空気中の酸素濃度を一定に保つように制御できる、上記１に記載のシステム。

３．前記空気分離装置が、酸素濃度２２モル％以上５０モル％以下の酸素富化空気と、酸素濃度０．１モル％以上１０モル％以下の窒素富化空気を製造することができる、上記１または２に記載のシステム。

４．前記空気分離装置への空気の供給圧力が、０．０２ＭＰａＧ以上１ＭＰａＧ以下の範囲に制御される、上記１〜３のいずれかに記載のシステム。

５．前記空気分離装置の酸素富化空気排出側が大気圧以下に減圧された、上記１〜４のいずれかに記載のシステム。

６．前記空気分離装置がガス分離膜を含む、上記１〜５のいずれかに記載のシステム。

７．前記空気分離膜装置が、ガス分離膜にパージ用空気を供給できる構造を有する、上記１〜６のいずれかに記載のシステム。

８．製造される窒素富化空気の大気圧露点が−２０℃以下である、上記１〜７のいずれかに記載のシステム。

９．０．０２ＭＰａＧ〜１ＭＰａＧの圧縮空気を空気分離装置に供給する工程と、
前記空気分離装置により酸素濃度２２モル％以上５０モル％以下の酸素富化空気と酸素濃度０．１モル％以上１０モル％以下の窒素富化空気とを製造する工程と、
を含み、
前記圧縮空気の圧力を調整することにより酸素富化空気の流量を制御し、かつ、
窒素富化空気の流量を調整することにより酸素富化空気の酸素濃度を制御する、酸素富化空気と窒素富化空気の製造方法。

１０．上記９の製造方法により製造された窒素富化空気の防爆用ガスおよび／または計装空気としての使用。

本発明によると、空気を原料として酸素富化空気を製造するシステムにおいて、酸素富化空気の所定の酸素濃度を維持したまま需要量の変動に容易に対応できる。本発明は、特に酸素濃度が約２２〜５０モル％の比較的低い酸素富化空気の製造に好適であり、従来の製造方法よりエネルギー効率を高めることができる。そして、製造される酸素富化空気は燃焼炉等に使用することができ、同時に製造される窒素富化空気は防爆用ガス等として有効に利用できる。

本発明のシステムの構成図の一例である。

本発明のシステムは、少なくとも、空気を加圧する空気圧縮機と、空気を原料として酸素富化空気と窒素富化空気を製造する空気分離装置とを備え、さらに、空気分離装置に供給する圧縮空気の供給圧力を制御する圧力制御手段と、窒素富化空気の流量を制御する流量制御手段とを有する。

本発明のシステムの構成図の一例を図１に示す。このシステムは、空気圧縮機（１２）と空気分離装置（１１）を有し、これらは圧縮空気供給ライン（２１）により連結されている。空気分離装置（１１）は、さらに、酸素富化空気ライン（２２）と、窒素富化空気ライン（２３）と連結している。そして、圧縮空気供給ライン上には圧力制御手段として制御弁（１３）が設置され、酸素富化空気ライン（２２）上には酸素濃度測定器（１４）と流量計（１５）が設置され、窒素富化空気ライン（２３）上には窒素富化空気の流量制御手段として制御弁（１６）が設置されている。

図１のシステムにおいては、まず、空気圧縮機（１２）により加圧された空気が、圧縮空気供給ライン（２１）により空気分離装置（１１）に供給される。その際、圧縮された空気の圧力は、制御弁（１３）により調整することができる。そして、供給された空気を原料として、空気分離装置（１１）により酸素富化空気と窒素富化空気が製造される。製造された酸素富化空気は空気分離装置の酸素富化空気排出口から酸素富化空気ライン（２２）に排出され、窒素富化空気は空気分離装置の窒素富化空気排出口から窒素富化空気ライン（２３）に排出される。窒素富化空気の流量は制御弁（１６）により調整できる。製造された酸素富化空気の酸素濃度は酸素濃度測定器（１４）により測定され、酸素富化空気の流量は、流量計（１５）により測定される。

このシステムにおいて、酸素富化空気の流量は、空気分離装置への圧縮空気の供給圧力を調整することで制御できる。したがって、流量計（１５）による測定結果をフィードバックしながら、上記圧縮空気の圧力を制御弁（１３）で調整して、所望の需要量（流量）の酸素富化空気が得られるように制御する。さらに、酸素富化空気の酸素濃度は、製造された窒素富化空気の流量を調整することで制御できる。したがって、酸素濃度測定器（１４）による測定結果をフィードバックしながら、制御弁（１６）で窒素富化空気の流量を調整して、酸素富化空気の酸素濃度が所望の濃度になるように制御する。このように、本発明は、簡便な方法で酸素富化空気の流量と酸素濃度を制御でき、特に酸素富化空気の所定の酸素濃度を維持したまま流量を変動させたい場合に好適に使用できる。

本発明において、空気圧縮機（１２）が圧力制御機能も有している場合は、制御弁（１３）を設けなくてもよい。上述のように、圧縮空気の供給圧力は、酸素富化空気の需要量に応じて調整でき、特に限定はされないが、０ＭＰａＧより大きく２ＭＰａＧ以下であることが好ましく、０．０２ＭＰａＧ以上１ＭＰａＧ以下であることがより好ましい。また、酸素富化空気ライン（２２）上に減圧手段を設け、空気分離装置の酸素富化空気排出口側を大気圧より低くしてもよい。この場合、圧縮空気の供給圧力と、空気分離装置の酸素富化空気排出口側の圧力との差を調整することにより、酸素富化空気の流量を調整できる。

上記空気分離装置としては、特に限定はなく、ガス分離膜を有する装置、酸素ＰＳＡ等が挙げられるが、ガス分離膜を有する装置が好ましい。

ガス分離膜を有する装置におけるガス分離膜は、空気から酸素を選択的に透過させる。ガス分離膜は、特に限定されないが、シリコーン樹脂、ポリブタジエン樹脂などのゴム状ポリマー材料、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、セルロースなどのガラス状ポリマー材料、又は、ゼオライトなどのセラミックス材料によって好適に製造される。また、ガス分離膜は、均質膜、均質層と多孔層とからなる非対称膜、微多孔質膜などいずれであってもよい。容器内の収納形態も、プレートアンドフレーム型、スパイラル型、中空糸型などいずれであっても構わない。尚、本発明においては、均質層の厚さが１０〜２００ｎｍ及び多孔質層の厚さが２０〜２００μｍの非対称構造を持ち内径が３０〜５００μｍ程度の芳香族ポリイミドからなる中空糸ガス分離膜が、窒素ガスの透過速度に対する酸素ガスの透過速度の比（Ｐ’_Ｏ２／Ｐ’_Ｎ２）や酸素ガスの透過速度（Ｐ’_Ｏ２）が大きく、更に装置内に配置するガス分離膜の有効膜面積を大きくできるので、特に好適に用いられる。

本発明において、ガス分離膜は、少なくとも原料空気供給口、透過ガス（酸素富化空気）排出口、及び、非透過ガス（窒素富化ガス）排出口を備えた容器内に、ガス分離膜の透過側と非透過側とが隔絶するように配置されて、ガス分離膜モジュールを形成していることが好ましい。本発明のガス分離膜モジュールが中空糸膜によって構成される場合には、通常中空糸膜の多数本（例えば、数百本から数十万本）を集束して中空糸束とし、その中空糸束の少なくとも一方の端部をエポキシ樹脂のような硬化性樹脂やポリアミド樹脂のような熱可塑性樹脂などで前記端部において中空糸膜が開口状態となるように固着（樹脂固着部を管板という。）して中空糸分離膜エレメントを構成し、更に、単数個又は複数個の前記中空糸分離膜エレメントを、少なくとも原料空気供給口、透過ガス排出口、及び、非透過ガス排出口を有する容器内に、中空糸の内側へ通じる空間と中空糸の外側へ通じる空間が隔絶するように装着されて構成されている。

容器はステンレスなどの金属材料、プラスチック材料、繊維強化プラスチック材料などの複合材料で製造される。

また、上記ガス分離膜モジュールは、さらに、大気から空気を取り込むパージ空気供給口を有していてもよい。この場合、パージ空気は、ガス分離膜の透過側へ供給され、透過ガス（酸素富化空気）と合流し、酸素富化空気ラインに排出される。

本発明においては、上記流量計（１５）の代わりに、酸素富化空気ライン（２２）上にタンクを設け、そのタンク内の酸素富化空気の圧力の測定結果から酸素富化空気の流量を換算してもよい。

本発明により製造される酸素富化空気の酸素濃度は、空気の酸素濃度である２１モル％より大きければよく、必要に応じて適宜調整できる。燃焼炉等に用いる場合は、２２モル％以上５０モル％以下であることが好ましく、２２モル％以上４０モル％以下であることがより好ましい。

製造された酸素富化空気は酸素富化空気ラインから回収されてもよいし、酸素富化空気ラインが、酸素富化空気を使用する燃焼炉等に直接連結されていてもよい。本発明により得られた酸素富化空気は、ゴミ焼却炉や下水の汚泥焼却炉などの燃焼装置、生ゴミ処理機、自動車、燃料電池、農業、漁業、バイオ分野等での生物の育成促進装置、健康機器、医療機器等の様々な分野で使用できる。

一方、本発明のシステムにおいては、上述のように、酸素富化空気以外に窒素富化空気も製造される。製造される窒素富化空気中の酸素濃度は、特に限定されないが、０．０１モル％以上１５モル％以下であることが好ましく、０．１モル％以上１０モル％以下であることがより好ましい。また、特にガス分離膜を用いる場合、ガス分離膜が水分も透過しやすいため、水分含有量の小さい乾燥した窒素富化空気を得ることができる。本発明により製造される窒素富化空気は、例えば、大気圧露点が−２０℃以下まで乾燥していることが好ましい。得られた窒素富化空気は、防爆用ガスや計装用空気として使用することができる。

以下、本発明を実施例に基づき、さらに詳細に説明する。但し、本発明は下記実施例により制限されるものではない。

宇部興産社製空気分離膜モジュール（ＮＭ−４１０Ａ）を用いて、室温（２５℃）で透過側圧力を常圧として３０モル％の酸素富化ガスを製造した場合の酸素富化ガスの流量を測定した。運転圧力と窒素富化ガスの流量を調整することにより、酸素濃度が３０モル％で維持され、流量が変化した酸素富化ガスが得られた（表１）。窒素富化ガスの酸素濃度は、１モル％〜８モル％であった。

本発明によると、空気分離装置を含むシステムにおいて、簡便な方法で、酸素富化空気の流量と酸素濃度を調整することができる。

１１空気分離装置
１２空気圧縮機
１３制御弁
１４酸素濃度測定器
１５流量計
１６制御弁
２１圧縮空気供給ライン
２２酸素富化空気ライン
２３窒素富化空気ライン

Claims

０．０２ＭＰａＧ〜１ＭＰａＧの圧縮空気を空気分離装置に供給する工程と、
前記空気分離装置により酸素濃度が２１モル％より大きい酸素富化空気と窒素富化空気とを製造する工程と、
を含み、
前記圧縮空気の圧力を調整することにより、製造される酸素富化空気の流量を制御し、かつ、
窒素富化空気の流量を調整することにより、製造される酸素富化空気の酸素濃度を制御する、酸素富化空気と窒素富化空気の製造方法。
酸素富化空気の必要な流量が変動したとき、前記空気分離装置への空気の供給圧力を調整して酸素富化空気の流量を調整し、かつ、窒素富化空気の流量を調整して酸素富化空気中の酸素濃度を一定に保つように制御する、請求項１に記載の製造方法。
前記空気分離装置の酸素富化空気排出側が大気圧以下に減圧されている、請求項１または２に記載の製造方法。
前記空気分離装置がガス分離膜を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
前記空気分離装置が、ガス分離膜にパージ用空気を供給できる構造を有する、請求項４に記載の製造方法。
製造される窒素富化空気の大気圧露点が−２０℃以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法により製造された窒素富化空気の防爆用ガスおよび／または計装空気としての使用。