JP5816059B2 - 圧力スイング吸着法によるｃｏ２の分離方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）によって混合ガスからＣＯ_２を吸着・分離するためのガス分離方法に関する。なお、本発明法には、吸着工程を大気圧付近の圧力で行い、脱着工程を真空付近の圧力で行う方法（ＶＰＳＡ法）も含まれる。

混合ガスから特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（ＰＳＡ法＝Pressure Swing Adsorption法）が用いられている。この方法は、吸着剤を充填した吸着塔に所定の圧力で混合ガスを導入し、特定のガス成分を吸着させる吸着工程と、この特定のガス成分が吸着された吸着塔を所定の圧力まで減圧し、そのガス成分を回収又は排出する脱着工程を行うものである。また、このＰＳＡ法には、吸着工程を大気圧付近の圧力で行い、脱着工程を真空付近の圧力で行う方法（ＶＰＳＡ法）もある。

図２に、圧力スイング吸着法によるガス分離を行うための従来の３塔式ガス分離設備の一例を示す。３基の吸着塔１〜３では、吸着工程、洗浄工程、脱着工程がこの順で交互に行われることにより、ガス分離が連続的に行われる。この３塔式ガス分離装置を用いＣＯ_２含有ガスからＣＯ_２を吸着・分離する場合、次のような操作が行われる。図２において、白抜きの遮断弁は開状態にあることを、黒く塗りつぶした遮断弁は閉状態にあることを、それぞれ示している。吸着塔１が吸着工程、吸着塔２が洗浄工程、吸着塔３が脱着工程にあるとき、ＣＯ_２含有ガスはブロワー４によって吸着塔１に導入され、ここでＣＯ_２が吸着され、そのオフガスが排気ライン６から排出される（吸着工程）。このとき、吸着塔３では、塔内の濃縮されたＣＯ_２が真空ポンプ５により排出される（脱着工程）。排出されたＣＯ_２は、一部が回収ライン７より排出され、他の一部が洗浄ライン８より洗浄ガスとして洗浄工程にある吸着塔へ送られる。吸着塔２では、吸着塔３から送られてきたＣＯ_２（洗浄ガス）が塔内に導入され、吸着塔２内の不要な成分を排気ライン６に排出し、ＣＯ_２濃度を高める工程が行われる（洗浄工程）。以上のような吸着工程、洗浄工程、脱着工程をそれぞれの吸着塔が順次行うことにより、ＣＯ_２含有ガスからのＣＯ_２分離が連続的に行われる。

ところで、一般的な吸着剤を使用した吸着現象では、混合ガス中での吸着ガスの分圧が高いほど、すなわち吸着ガスの濃度が高いほど、吸着量が多くなり、吸着効率が高くなる。したがって、ＣＯ_２含有ガスからのＣＯ_２の吸着・分離においても、原料ガスであるＣＯ_２含有ガス中のＣＯ_２濃度が高いほど、吸着効率が高くなる。また、ＣＯ_２含有ガス中のＣＯ_２濃度が低い場合には、吸着塔内にＣＯ_２以外の成分が残留するため、洗浄工程においてＣＯ_２濃度を高めるためには、使用する洗浄ガス量が多くなり、その結果、回収されるＣＯ_２ガス量が低下してしまう。
このような問題に対して、特許文献１では、洗浄工程において排出されるＣＯ_２濃度が９０vol％以上のオフガスを、オフガス貯留部を設けて回収し、これを原料ガスに混合する方法が提案されている。

特開２００８−１７４４０７公報

しかしながら、特許文献１の方法では、一度ガス分離装置（ＰＳＡ装置）で分離を行った洗浄時のオフガスを、再度原料ガスとして同じガス分離装置に導入するといったガスのリサイクルを行うため、もとの原料ガスに対する装置の効率が悪いという問題がある。また、洗浄工程では、塔内に残留したＣＯ_２以外の成分を押し出すための最低量の洗浄ガスを使用する方が、洗浄ガス量が少なくて済み効率がよいが、特許文献１の方法のように、排出されるオフガスのＣＯ_２濃度を高めるためには、多量の洗浄ガスを流す必要があり、効率が悪いという問題もある。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、圧力スイング吸着法によりＣＯ_２含有ガスからＣＯ_２を効率的に分離することができる方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］１基又は２基以上の吸着塔を有するガス分離設備を用い、圧力スイング吸着法によりＣＯ_２含有ガスからＣＯ_２を吸着・分離するに際し、ＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）に、支燃ガスとして酸素ガスが導入された燃焼設備から排出されるガスであって、Ｎ _２ を含まず、ＣＯ _２ 濃度が９０vol％以上の酸素燃焼排ガス（ｇ _ｘ ）を混合することでＣＯ_２濃度を高め、このＣＯ_２濃度を高めたＣＯ_２含有ガス（ｇ）をガス分離設備に導入してＣＯ_２を吸着・分離することを特徴とする圧力スイング吸着法によるＣＯ_２の分離方法。
［2］上記［1］の分離方法において、ＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）のＣＯ_２濃度が３０vol％未満であることを特徴とする圧力スイング吸着法によるＣＯ_２の分離方法。

［3］上記［1］又は［2］の分離方法において、ＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）と酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）がともに、ガス分離設備に導入するに当たって清浄化ための前処理が必要なガスである場合に、ＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）と酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）に対する個別の前処理を行うことなく、ＣＯ_２含有ガス（ｇ）に対して前処理を行うことを特徴とする圧力スイング吸着法によるＣＯ_２の分離方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの分離方法において、専用の燃焼設備で発生させた酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）をＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）に混合することを特徴とする圧力スイング吸着法によるＣＯ_２の分離方法。
［5］上記［1］〜［3］のいずれかの分離方法において、専用でない燃焼設備で発生した酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）をＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）に混合することを特徴とする圧力スイング吸着法によるＣＯ_２の分離方法。

本発明によれば、圧力スイング吸着法によりＣＯ_２含有ガスからＣＯ_２を吸着・分離する際に、酸素燃焼排ガスを混合することによりＣＯ_２濃度を高めたＣＯ_２含有ガスを原料ガスとするため、ＣＯ_２を効率的に分離することができる

本発明のガス分離方法の一実施形態を示す説明図 従来の圧力スイング吸着法によるガス分離設備の一例を示す説明図

本発明法は、１基又は２基以上の吸着塔を有するガス分離設備を用い、圧力スイング吸着法（以下、ＰＳＡ法という）によりＣＯ_２含有ガスからＣＯ_２を吸着・分離するに際し、ＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）に酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）を混合することでＣＯ_２濃度を高め、このＣＯ_２濃度を高めたＣＯ_２含有ガス（ｇ）をガス分離設備に導入してＣＯ_２を吸着・分離するものである。
本発明が対象とするＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）のＣＯ_２濃度は特に限定しないが、ＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）のＣＯ_２濃度が３０vol％未満の場合にＣＯ_２の吸着効率の低下が特に問題となるので、ＣＯ_２濃度が３０vol％未満の場合が特に好ましい。

酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）とは、支燃ガスとして酸素ガスが導入された燃焼設備から排出されるガスであり、Ｎ_２を含まないためＣＯ_２を高濃度に含んでいる。そのなかでもＣＯ_２濃度が９０vol％以上、より好ましくは９５vol％以上の酸素燃焼排ガスが望ましい。
このような酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）は、専用の燃焼設備で発生させたものでもよいし、他の用途で使用されている燃焼設備で発生したものでもよい。後者の場合には、例えば既存の設備の操業条件を調整して高ＣＯ_２濃度の酸素燃焼排ガスが発生するようにしてもよい。

本発明により、ＣＯ_２濃度の高い酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）をＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）に混合すれば、ＰＳＡ法によるＣＯ_２含有ガスからのＣＯ_２の吸着・分離を高い吸着効率で行うことができる。例えば、ＣＯ_２濃度が２５vol％程度である石灰焼成炉排ガスからＣＯ_２を分離する場合、この石灰焼成炉排ガスに対して、体積比で１０％の酸素燃焼排ガス（ＣＯ_２濃度：９０vol％）を混合すれば、混合後のガスのＣＯ_２濃度は３４vol％となる。そして、ＣＯ_２濃度２５vol％のＣＯ_２含有ガス（原料ガス）から一定条件のＰＳＡ法で濃度９９vol％のＣＯ_２を回収した時、そのＣＯ_２回収率が７５vol％であるとすると、ＣＯ_２濃度３４vol％のＣＯ_２含有ガス（原料ガス）から同じ条件のＰＳＡ法で濃度９９vol％のＣＯ_２を回収した時には、ＣＯ_２回収率は８２vol％となり、ＣＯ_２を高い吸着効率で吸着・分離することができる。ＣＯ_２回収率向上の程度は、ＰＳＡ分離条件により異なるが、ＣＯ_２含有ガス（ｇ）のＣＯ_２濃度が高いほどＣＯ_２回収率は向上し、その分だけ効率的な分離が行えることになる。

通常、ＣＯ_２の吸着・分離を行うＣＯ_２含有ガスに、ダストや硫黄化合物、或いは多量の水分などが含まれている場合、事前に除塵、脱硫、除湿などの前処理が施され、しかる後、ガス分離設備に導入される。本発明において、ＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）と酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）がともに、そのようなガス清浄化ための前処理が必要なガスである場合、それぞれのガスを個別に前処理することなく、両ガスを混合した後のＣＯ_２含有ガス（ｇ）を前処理することが好ましい。１箇所の設備だけで効率的に前処理を行うことができるからである。例えば、ＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）としてごみ焼却炉排ガスを用い、酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）として石炭火力発電の排ガスを用いる場合などが該当する。

図１は、本発明の一実施形態を示すもので、３塔式ガス分離装置を用いたＰＳＡ法によるガス分離プロセスであり、例えば、石灰焼成炉排ガスからＣＯ_２を吸着・分離する場合などを示している。図１において、白抜きの遮断弁は開状態にあることを、黒く塗りつぶした遮断弁は閉状態にあることを、それぞれ示している。図１での基本的な操業形態は、図２と同様であり、３基の吸着塔１〜３では、吸着工程、洗浄工程、脱着工程がこの順で交互に行われることにより、ＣＯ_２含有ガスからのＣＯ_２の分離が連続的に行われる。すなわち、吸着塔１が吸着工程、吸着塔２が洗浄工程、吸着塔３が脱着工程にあるとき、ＣＯ_２含有ガスは、ブロワー４によって吸着塔１に導入され、ここでＣＯ_２が吸着され、そのオフガスが排気ライン６から排出される（吸着工程）。このとき、吸着塔３では、塔内の濃縮されたＣＯ_２が真空ポンプ５により排出される（脱着工程）。排出されたＣＯ_２は、一部が回収ライン７より排出され、他の一部が洗浄ライン８より洗浄ガスとして洗浄工程にある吸着塔へ送られる。吸着塔２では、吸着塔３から送られてきたＣＯ_２（洗浄ガス）が塔内に導入され、吸着塔２内の不要な成分を排気ラインに排出し、ＣＯ_２濃度を高める工程が行われる（洗浄工程）。以上のような吸着工程、洗浄工程、脱着工程をそれぞれの吸着塔が順次行うことにより、ＣＯ_２含有ガスからのＣＯ_２分離が連続的に行われる。

ここで、原料ガスであるＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）はガス供給ライン１１を通じてガス分離装置に供給されるが、このガス供給ライン１１には酸素燃焼排ガス供給ライン１０が接続され、この酸素燃焼排ガス供給ライン１０を通じて供給される酸素燃焼排ガス（ｇ_０）がＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）に混合されることでＣＯ_２濃度が高められ、このＣＯ_２含有ガス（ｇ）が前処理装置９を経てガス分離設備に供給される。例えば、ＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）が石灰焼成炉排ガスである場合には、前処理装置９ではダスト除去および脱硫処理が行われる。
この実施形態では、専用の燃焼設備１２が設置され、この燃焼設備１２で発生させた高ＣＯ_２濃度の酸素燃焼排ガス（ｇ_０）が酸素燃焼排ガス供給ライン１０を通じてＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）に混合される。

１，２，３ 吸着塔
４ ブロワー
５ 真空ポンプ
６ 排気ライン
７ 回収ライン
８ 洗浄ライン
９ 前処理装置
１０ 酸素燃焼排ガス供給ライン
１１ ガス供給ライン
１２ 燃焼設備

Claims (5)

1. １基又は２基以上の吸着塔を有するガス分離設備を用い、圧力スイング吸着法によりＣＯ_２含有ガスからＣＯ_２を吸着・分離するに際し、
   ＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）に、支燃ガスとして酸素ガスが導入された燃焼設備から排出されるガスであって、Ｎ _２ を含まず、ＣＯ _２ 濃度が９０vol％以上の酸素燃焼排ガス（ｇ _ｘ ）を混合することでＣＯ_２濃度を高め、このＣＯ_２濃度を高めたＣＯ_２含有ガス（ｇ）をガス分離設備に導入してＣＯ_２を吸着・分離することを特徴とする圧力スイング吸着法によるＣＯ_２の分離方法。
2. ＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）のＣＯ_２濃度が３０vol％未満であることを特徴とする請求項１に記載の圧力スイング吸着法によるＣＯ_２の分離方法。
3. ＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）と酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）がともに、ガス分離設備に導入するに当たって清浄化ための前処理が必要なガスである場合に、ＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）と酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）に対する個別の前処理を行うことなく、ＣＯ_２含有ガス（ｇ）に対して前処理を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力スイング吸着法によるＣＯ_２の分離方法。
4. 専用の燃焼設備で発生させた酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）をＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）に混合することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧力スイング吸着法によるＣＯ_２の分離方法。
5. 専用でない燃焼設備で発生した酸素燃焼排ガス（ｇ_ｘ）をＣＯ_２含有ガス（ｇ_０）に混合することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧力スイング吸着法によるＣＯ_２の分離方法。

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