WO2009116674A1

WO2009116674A1 - 高炉ガスの分離方法

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Publication number: WO2009116674A1
Application number: PCT/JP2009/055722
Authority: WO
Inventors: 中川二彦; 原岡たかし; 岸本啓; 斉間等
Original assignee: Ｊｆｅスチール株式会社
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2009-09-24
Also published as: BRPI0909767B1; BRPI0909767A2; EP2258996A4; KR101244129B1; TWI405605B; TW200948458A; EP2258996A1; KR20100105908A; EP2258996B1

Abstract

高炉ガスの分離方法は、高炉炉頂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成分を主体とするガスに分離するに際し、一段目のガス分離精製装置（Ｓ１）によって、高炉ガスを、二酸化炭素及び不可避的不純物ガス成分からなるガスと、窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスと、に分離し、二段目のガス分離精製装置（Ｓ２）によって、前記一段目のガス分離精製装置により分離された、窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスを、窒素及び不可避的不純物ガス成分からなるガスと、一酸化炭素及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

明細書高炉ガスの分法技術分野

本発明は、高炉炉頂から排出される高炉ガスを、それぞガス成分を主成分とするガスに分離する方法に関するものである。背景技術

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し、このガスには、水素、一酸化炭素、メタンといった燃料として利用可能な成分のほかに、窒素、二酸化炭素;^含有されている。これらの副生ガスは、その大部分が発電所や加熱炉などで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が、前述のように、これらの副生ガス中には窒素や二酸化炭素といった不活性成分が含まれるために、あたりの熱量は 7 0 0 ~ 4 5 0 O kcal/Nm³であり、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低いのが !敷である。特に、高炉ガスは 7 0 O kcal/Nm³程度であり、最も熱量が低い。

これは、水素、一酸化炭素、メタンなどの燃料成分力 S少ない上に、これらの燃料成分の燃焼で発生する熱量が燃料成分以外の成分である窒素や二酸化炭素の加熱に消費されることによるものである。因みに高炉ガスには、窒素が 5 0〜 5 5体 %程度、二酸化炭素が 2 0〜

2 3体積⁰ /₀¾¾含まれてヽる。

..そのために、これらの副生ガスから不活性成分を除去する方法に関して、特に、最近の二酸化炭素排出削減の要請から、高炉ガスから二酸化炭素を分離回収する方法に関して、幾つかの提案がなされている。

例えば特許文献 1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焼触媒の «下で燃焼させることにより、残存する微量の可燃ガス及ぴ酸素を除去し、窒素及び二酸化炭素を分とする不活性ガスを製造する方法が驗されている。また、前記不活性ガスから二酸化炭素を分離し、髙純度の窒素を得ることも提案してレ、る。

また、特許文献 2には、カロ圧下において吸着剤に翻させて吸着分離を行い、次いで減圧下においてこれを脱着させる圧力変動式吸着分離方式によって高炉ガス中の二酸化炭素及ぴ窒素を、アルミナ系吸着剤及ぴ多孔性ポリスチレンを使用して夫々選択的に吸着分離させて、一酸化炭素及び水素のリッチガスを製造する方法が提案されている。

また更に、特許文献 3には、製鉄所で発生する副生ガスから化学吸収法により二酸化炭素を分離回収するにあたり、当該ガスから化学吸収液で二酸化炭素を吸収後、化学吸収液を力!]熱し二酸化炭素を分離させるプロセスにて、製鉄所で発生する 5 0 0°C以下の低品位排熱を利用または活用すること力提案されている。

特許文献 1 ：特開昭 6 1 - 2 8 4 4 6号公報

特許文献 2：特開昭 6 2— 1 9 3 6 2 2号公報

特許文献 3：特開 2 0 0 4— 2 9 2 2 9 8号公報

上記の特許文献 1〜 3に提案されるように、製鉄所で発生する副生ガスに含まれる各成分を分離する技術は、従来から提案されているが、何れも実用化には至っておらず、解決すベきを有している。

例えば、特許文献 1では、高炉ガス中の一酸化炭素を吸収法によって分離しているが、当該方法では、一酸化炭素を吸収した後のガス中に約 1体積⁰ /o¾gの一酸化炭素が残留し、また水素は吸収されず、そのまま残留する（特許文献 1の 2頁左上欄参照）。これらは分離器の後段に設けられた燃 βにて完^焼されている。この残留する一酸化炭素及び水素により発生する熱量は、高炉ガスの有する熱量の実に 5 %に¾1 "るほどの莫大なものとなるにも拘わらず、多量の窒素及ぴ二酸化炭素によって «されたガスであるために、この燃焼器で発生する熱量の有効利用は非常に困難であり、従って、特許文献 1では、高炉ガスの有する熱量の 5 %相当分を無駄にしていると言わざるを得な、。

特許文献 2では、高炉ガス中の二酸化炭素を吸着するための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て、この吸着塔に高炉ガス中の二酸化炭素及び窒素を吸着させて、相対的に一酸化炭素濃度及び水素濃度の増大したガスを得ているが、一酸化炭素及び水素の回収率は 8 0 %を超えておらず、残る 2 0 %もの一酸化炭素と水素は、二酸化炭素及ぴ窒素と混合した低熱量ガスとして排気されてしまうことになる。

また、特許文献 3では、高炉ガス中の二酸化炭素を化学吸収法にて分離回収している力 S、高炉ガス中の二酸化炭素濃度は 2 0 %程度であり、二酸化炭素のみの分離でも熱量増加の効果は得られるが、その改善効果は 2 5 %¾gと限定されたものであり、熱量の高いガスを得ることはできない。

また、何れの分 »法にも共通したとして投入動力の問題があり、特許文献 1では P及収液再生のために 1 0 0〜 1 5 0°Cの加熱或いは減圧、特許文献 2では吸着時の 2 ataへのカロ圧と脱着時の 0. 1 ataへの ¾ff、特許文献 3では吸収液再生のために 1 2 0でのカロ熱が必要であり、これらに対する熱源或いは動力の手当ては、廃熱利用であったとしても必要である。

このように、製鉄所副生ガス中の不活性成分を除去して熱量を増加させることは、二酸化炭素排出削減や省エネルギーの観点から重要であるが、その実用化には、燃料成分である一酸化炭素及び水素の回収率向上、分離操作に費やすエネルギー或いはコストの肖 lj減が課題であことを示している。発明の開示

本発明の目的は、高炉ガスから二酸化炭素及び窒素を分離 -除去することにより熱量の髙、改質高炉ガスを製造するなどのために、高炉ガスを、それぞれの成分を分とするガスに分離するにあたり、それぞれのガスを高回収率で効率良く回収することのできる高炉ガスの分離方法を ¾ ^することである。

本発明者等は、高炉ガスの分離における回収率向上、並びにエネルギー或いはコスト削減を様々な視点から検討した結果、高炉ガスからの各成分の分離にあたり、特に分離の順序と分離手法とを適切に糸且^:ることによつて実現可能であるとの知見を得た。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、第 1の発明に係る高炉ガスの分離方法は、高炉炉頂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成分を主体とするガスに分離するに際し、一段目のガス分離精製装置によって、高炉ガスを、二酸化炭素及ぴ不的不純物ガス成分からなるガスと、窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスと、に分離し、二段目のガス分離精 ¾置によって、 t&ia—段目のガス分離精難置により分離された、窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスを、窒素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスと、一酸化炭素及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 1敷とするものである。

第 2の発明に係る高炉ガスの分離方法は、第 1の発明において、前記一段目のガス分離精難置が、二酸化炭素を吸着によつて分 »る吸着分離置であ'り、 tiriB二段目のガス分離精 M¾置が、一酸化炭素を吸着によって分離する吸着分 «置であることを特 ί敷とするものである。

第 3の発明に係る高炉ガスの分離方法は、第 1の発明にお、て、 ΙίίΙΒ—段目のガス分離精製装置が、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り、前記二段目のガス分離精製装置が、一酸化炭素を吸着によつて分離する吸着分 «置であることを «とするものである。

第 4の発明に係る高炉ガスの分離方法は、第 1の発明において、前記一段目のガス分離精製装置が、二酸化炭素を吸着によつて分離する吸着分 H¾置であり、前記二段目のガス分離精製装置が、一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特徴とするものである。

第 5の発明に係る高炉ガスの分 11^法は、第 2ないし第 4の発明の何れかにおいて、前記吸着分難置の出口側に、三段目のガス分離精製装置として、 7素 β膜或いは水素以外の成分を吸着する吸着剤を配置し、前記吸着分 β置から分離される水素及び窒素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスから水素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスを分離することを特徴とするものである。

第 6の発明に係る高炉ガスの分離方法は、第 5の発明において、 tiflB三段目のガス分離精製装置として水素以外の成分を吸着する吸着剤を配置し、該吸着剤によって水素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスを分離する ¾ ^に、前記吸着剤に吸着した成分をによる脱気操作または水素による洗净操作若しくは逆洗净操作で除去することを «とするものである。

本発明によれば、 7素、窒素、一酸化炭素及ぴ二酸化炭素を主たる成分とする高炉ガスを、それぞれのガス成分に分離するにあたり、最も分離しゃす、二酸化炭素を最初に分離するので、少ない動力で高炉ガスの分離を行うことができ、また、二段のガス分離精製装置を用いて分離するので、高い分離率でそれぞれのガスを分離することができる。更に、三段目のガス分離精製装置を用いて水素を分離した場合には、高濃度の水素をも高炉ガスから高回収率で回収することができ、その結果、高濃度の水素及び高濃度の一酸化炭素を含有する、熱量増加のより高 Vヽ改質高炉ガスが得られ、その効果によつて分離に費やされる投入エネルギー及ぴコストをすることが可能となる。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第一の実施形態例を示す工程図である。

図 2は、本発明の第二の実施形態例を示す工程図である。

図 3は、本発明の第三の実施形態例を示す工程図である。

図 4は、本発明の第一の実施形態例において、一段目及ぴニ段目のガス分離工程に圧カスィング吸着装置を用、たときの分 «作を模式的に表わした図である。

図 5は、図 4に示す本発明の第一の実施形態例において、水素分 β置が膜分離装置であるの分 «作の模式図である。

図 6は、図 4に示す本発明の第一の実施形態例において、 7_Κ素分離装置が吸着分 «置である ¾ ^の分»作の模式図である。

図 7は、図 4に示す本発明の第一の実施形態例において、水素分難置を脱気操作する場合の分«作の模式図である。

図 8は、図 4に示す本発明の第一の実施形態例にぉレ、て、 7素分離装置を水素により洗浄操作する^の分 «作の模式図である。図 9は、図 4に示す本発明の第一の実施形態例にぉレヽて、水素分難置を水素により逆洗净操作するの分 «作の模式図である。

図中の符号は以下の通りである。

1 原料ガスホノレダ—

2 C0₂-PSAB^*¾

3 原料ガスホルダー

4 CO— PS A吸着塔

5 水素分離置

6 排気装置

7 送離置

S 1 —段目のガス分離工程

52 二段目のガス分離工程 '、

S 3 三段目のガス分離工程

発明を実施するための开態

以下、本発明を具体的に説明する。

高炉ガスのは、一酸化炭素： 2 1 . 1 - 2 6 . 2 #¾%、二酸化炭素： 1 9 . 3 ~ 2 3 . 2 #¾%、水素： 2 . 9〜5 . 3 #¾%、窒素： 5 2. 5〜5 9 . 2 ¾%である。 (第 4版岡便覧 (CD-ROM) No. 1第 2卷製銑 · ΜΙΡ3、 2002年 7月 30日発行、表 42-5 - 7(20 00)を参照）この高炉ガスから熱量のより高い改質高炉ガスを製造するなどの目的のために、高炉ガスを、それぞれのガス成分に分離する際に、本発明〖こおいては、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、二酸化炭素及び不可避的不純物ガス成分からなるガスと、窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスと、に分離し、二段目のガス分離精製装置によって、前記一段目のガス分離精 Μ¾置により分離された、窒素及ぴ一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスを、窒素及び不可避的不純物ガス成分からなるガスと、一酸化炭素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスとに分離する。

ここで、不避的不純物ガス成分とは、高炉ガス中に含まれる微¾¾分の他に、上記 4 成分（一酸化炭素、二酸化炭素、 7_Κ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あり、最大 2 0体積⁰ /₀を含む。尚、窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスにおいてほ、不可避的不純物ガス成分として水素を含む ¾ ^もある。即ち、吸着分 β置から排出されるガスのうち、「水素及ぴ窒素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス」を分離する ¾ ^もあり、「窒素及び一酸化炭素並ぴに不可避的不純物ガス成分からなるガス」とは、「7k素及び窒素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス」を分離する齡と分離しな、の両者を含む概念である。

このように、本発明によれば、一段目のガス分離工程において、高炉ガスから二酸化炭素を分離するので、二段目のガス分離工程である、一酸化炭素の分離工程における負荷を低減することができ、効率的な分離が可能となる。

. —段目のガス分離精 β置としては、二酸化炭素（以下「co₂」とも記す）を吸着によつて分離する吸着分離装置、或いは、二酸化炭素を吸収によって分離する化学的吸収装置を使用することができる。また、二段目のガス分離精置としては、一段目のガス分離精製装置と同様に、一酸化炭素（以下「co」とも記す）を吸着によって分離する吸着分難置、或いは、一酸化炭素を吸収によって分離する化学的吸収装置を使用することができる。

一段目及び二段目のガス分離精難置として使用する吸着分離方法としては、圧カスィング吸着装置（P S A法）、 Sitスイング吸着法（T S A法）などを使用することができ、一段目及び二段目のガス分離精 «置として使用する化学的吸収装置としては、二酸化炭素の齢には、アミン法、チルド'アンモニア法など、一酸化炭素の齢には、塩化銅 'へキサメチルリン酸トリアミドゃ塩化アルミニウム · トルエンなどを吸収液とした方法を使用することができる。

尚、一段目と二段目'の分難置の組^:としては、吸着法 +吸着法（第一の実施形態例）或いは吸収法 +吸着法（第二の実施形態例）、更には吸着法 +吸収法（第三の実施形態例）がありうるが、一段目及び二段目ともに吸収法のには水素が分離できず口スとなるため好ましくない。

また、吸着分難置（一段目でも二段目でもどちらでも構わない）の出口側に、三段目のガス分離精 «置として、水 *Μ膜或いは水素以外の成分を吸着する吸着剤を備えた水素分離装置を配置することによって、高純度の水素を分離することも可能である。以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。

図 1は、本発明の第一の実施形態例を示す工程図であり、一段目のガス分離工程 (s 1 ) として C O₂P及着分離置を配置し、この co₂吸着分 Sfg置によって炉ガスを、水素

(以下「」とも記す）及び窒素（以下「N₂」とも記す）並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス（排出時の初期に分置から排出される）と、窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス（排出時の中期に排出される）と、二酸化炭素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガス（最も後に排出される）とに分離し、また、二段目のガス分離工程 (S 2 ) として C O吸着分離置を配置し、この C O吸着分難置によって、一段目のガス分離工程 (S 1 ) により分離された、窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスを、窒素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガス（排出時の初期に分離装置から排出される）と、一酸化炭素及ぴ不 ¾r避的不純物ガス成分からなるガス（最も後に排出される）とに分離する。

尚、ここで、「排出」と表現したものは、圧力 (¾) スイング吸着法の各工程（吸着、 »、洗浄、脱気など）において吸着塔より排気される工程を総称したものであり、「初期」、「中期」及ぴ「最も後」とは、各工程をまとめた一サイクル内での時間的な前後関係を示したものである。

ここで一段目のガス分離工程で、二酸化炭素を分離する理由は以下のとおりである。即ち、吸着分離置で分離する、吸着剤への各成分の吸着力は、概ね「水素くく窒素く一酸化炭素くく二酸化炭素」の順に強くなつており、窒素と一酸化炭素との吸着力の差は、これらと他成分の吸着力の差に比べて小さいのが一般的である。このことは、水素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素を含有する混合ガスから各成分を吸着分 β置で分離するには、二酸化炭素がより低い圧力或いは高温で吸着するため、最も分離しやすいこと、つまり、分離に費やす動力を最も少なくできることを示している。また、吸着法による分離では投入動力は分離しない成分にも必要となるため、 «度の成分の分離には、分離対象でない他の成分が多量に存在すること力ら、大きな動力がより必要になる。

また更に、三段目のガス分離工程 ( S 3 ) として水素分離装置を配置し、この水素分離装置によって、一段目のガス分離工程 ( S 1 ) により分離された、 7素及ぴ窒素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスから水素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスを分離する。尚、前述したように、本発明においては、三段目のガス分離工程（S 3 ) は必須ではなく、高炉ガスに比較してあたりの熱量が 3倍以上の改質高炉ガスを得ようとする: ½ には、一段目のガス分離工程 ( S 1 ) により分離された、 7_k素及び窒素並びに不的不純物ガス成分からなるガスと、二段目のガス分離工程 (S 2 ) により分離された、一酸化炭素及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、十分に目的を満足することができる。図 2は、本発明の第二の実施形態例を示す工程図であり、一段目のガス分離工程 ( S

1 ) として co₂吸収分難置を配置し、この co₂吸収分誰置によって高炉ガスを、窒素及び一酸化炭素及び水素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス（吸収塔から排出される）と、二酸化炭素及び不可避的不純物ガス成分からなるガス（再生塔より排出される）とに分離し、また、二段目のガス分離工程 (S 2 ) として C O吸着分离際置を配置し、この C ΟΡ及着分 β置によって、一段目のガス分離工程 (S 1 ) により分離された、窒素及び一酸化炭素及び水素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスを、水素及び窒素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス（排出時の初期に分 ¾置から排出される）と、窒素及び不可避的不純物ガス成分からなるガス（排出時の中期に排出される）と、一酸化炭素及び不可避的不純物ガス成分からなるガス（最も後に排出される）とに分離する。

第二の実施形態例にぉ、て先に二酸化炭素を分離する理由は、第一の難形態例にお V、て記述した理由と同様で、二段目のガス吸着分離工程の負荷を«するためである。

また更に、三段目のガス分離工程 ( S 3 ) として水素分 β置を配置し、この水素分離装置によって、二段目のガス分離工程 (S 2) により分离笛された、 7R素及ぴ窒素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスから、水素及び不可避的不純物ガス成分からなるガスを分離する。ここで、三段目のガス分離工程（S 3 ) が必須でないことは、第一の実施形態例と同様である。図 3は、本発明の第三の実施形態例を示す工程図であり、一段目のガス分離工程 ( S

1 ) として co₂吸着分瞧置を配置し、この co₂吸着分赚置によって高炉ガスを、 ? 及ぴ窒素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス（排出時の初期に分離装置から排出される) と、窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス（排出時の中期に排出される）と、二酸化炭素及び不可避的不純物ガス成分からなるガス（最も後に排出される）とに分離し、また、二段目のガス分離工程 ( S 2 ) として C O吸収分離装置を配置し、この C O吸収分離装置によって、一段目のガス分離: Εί程 (S 1 ) により分離された、窒素及ぴ一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスを、窒素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガス（吸収塔から排出される）と、一酸化炭素及び不可避的不純物ガス成分からなるガス（再生塔より排出される）とに分離する。また更に、三段目のガス分離工程 (S3) として水素分 «置を配置し、この水素分離装置によって、一段目のガス分離工程 (S 1) により分離された、 7_K素及ぴ窒素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスから、水素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスを分離する。ここで、三段目のガス分離工程 (S3) が必須でないことは、第一の実施形態例と同様である。上記の本発明の第一の実施形態例につ!/、て、実例を挙げて更に詳細に説明する。

図 4は、本発明の第一の実施形態例において、一段目のガス分離工程 (S 1) の C0₂吸着分離装置、及び、二段目のガス分離工程 (S 2) の CO吸着分離装置として、ともに圧力スイング吸着装置 (PSA) を用いたときの分 »作を模式的に表わしたものであり、図 4 中の符号 1は、 C0₂吸着用圧力スイング吸着装置（以下、「C0₂— PSA装置」と記す）の原料ガスホルダー、符号 2は、〇0₂—？3 装置の吸着塔（以下、「C0₂— PSA吸着塔」と記す）、符号 3は、 CO吸着用圧力スイング吸着装置（以下、「CO— PSA装置」と記す）の原料ガスホルダー、符号 4は、 CO— PS A装置の吸着塔（以下、「CO— PS A吸着塔」と記す）、符号 5は、前述した水素分 «置である。尚、 C0₂—PSA吸着塔 2 及ぴ C O— P S A吸着塔 4の内部における各ガス成分の分布状態は説明のための模式的表現であり、実際の塔内のガス分布が図のようになっているわけではない。

高炉から排出された高炉ガスは、 C0₂— P S A装置の原料ガスホルダー 1に導入され、原料ガスホルダー 1において、後述する C 0₂— P S A吸着塔 2から戻ってくる、窒素及び一酸化炭素及び二酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス dと混合された後、原料ガスホルダー 1から C0₂— P S A吸着塔 2に導入される。この^、高垆ガス中のダスト (固体粒子）、ミスト（液体微粒子）、水分及び硫黄分を、高炉ガスを原料ガスホルダー 1 に導入する前に予め除去しておくことが好ましい。何故なら、ダストは、 C 0₂— P S A吸着塔 2に設置される吸着剤の細孔の閉塞による能力低下を引き起こし、ミスト及ぴ水分は、二酸化炭素よりも前記吸着剤との吸着力が高いために、相対的に二酸化炭素吸着能力の低下をもたらすほ力 \ 吸着剤の劣ィ匕を促進させ、硫黄分は、前記吸着剤の吸着点の被毒による能力低下を引き起こすからである。 C 0₂— P S A吸着塔 2に充填される吸着剤としては、 zR素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素が或る分離され得る材料であれば何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、脱着圧力は 5〜： L O O k P aが好ましい。

原料ガスホルダー 1力ら C 0₂— P S A吸着塔 2に導入されたガス a (高炉ガスと、循環する N₂、 CO、 C 0₂及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガ）は、図 4に示すように、 7k素及ぴ窒素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス b、窒素及び一酸化炭素並ぴに不可避的不純物ガス成分からなるガス c、窒素及び一酸化炭素及ぴ二酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス d、二酸化炭素及び不可避的不純物ガス成分からなるガス eに分離される。

水素及ぴ窒素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス bはそのままでも鉄所内にぉレ、て燃料ガスとして利用可能であるが、更に、水素分 »¾置 5を設けることによって、水素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガス； i、つまり高濃度の水素に分離することも可能である。水素及ぴ窒素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス bから分離した、窒素及ぴ一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス kは、 C 0₂— P S Aの原料ガスホルダー 1に回収する力、または、 CO— P S A装置の原料ガスホルダー 3に回収することもできるが、一酸化炭素濃度が低くて回収した場合に分離動力を増大させてしまう場合は、触媒などで空気と混合して燃焼させた後に大気に職される。 7_R素分難置 5は、水素以外のガス成分（即ち、窒素）を強く吸着する P S A装置であってもよいし、 P及着剤として C 0₂— P S A吸着塔 2の上部に C 0₂用の吸着剤とは別に充填させていてもよい。或いは、分子の大きさを禾 U用した水素分麵莫であつてもよい。

窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス cは、後段の C O— P S A装置の原料ガスホルダー 3に送られ、窒素及び一酸化炭素及ぴ二酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス dは、先述したように C 0₂— P S A装置の原料ガスホルダー 1に送られて高炉ガスと混合される。分離された、二酸化炭素及び不可避的不純物ガス成分からなるガス eは、純度 99%以上の髙純度 C0₂であり、不活性ガス或いはドライアイス用としても利用可能である。 .

C 0₂— P S A装置では、原料ガスホルダー 1からの C 0₂_ P S A吸彰荅 2へのガス導入及ぴ C 0₂— P S A吸着塔 2からのガス排出の操作を繰り返し実施する。

C0₂-PS A吸着塔 2で分離された、窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス cは、後段の CO— P S A装置の原料ガスホルダー 3に送られ、原料ガスホルダー 3において、後述する CO— P S A吸着塔 4から戻ってくる、窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス hと混合された後、原料ガスホルダー 3からガス f として CO— PS A吸着塔 4に導入される。

CO-PS A吸着塔 4に充填される吸着剤は、一酸化炭素が或る離分離され得る材料であれば何れも利用可能であり、特に指定するものではないが、 Y型ゼオライト、または Y 型ゼォライトに一俩の銅を担持或レ、はィオン交換したものは、一酸化炭素吸着能力に優れるので好ましい。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 100〜500kPa、脱着圧力は 5〜100kP aが好ましい。

原料ガスホルダー 3カら CO— PS A吸着塔 4に導入されたガス f は、図 4のように窒素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガス g、窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス h、一酸化炭素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガス iに分離される。窒素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガス gは、純度 99 の高純度 N₂であり、不活性ガスとして転炉などに利用可能である。窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス hは、先述のように原料ガスホルダー 3に送られる。一酸化炭素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガス iは、純度 99%以上の高純度 COであり、熱量 3 00 Okcalン Nm³以上の燃料ガスとして利用可能である他、化学原料としても有用である。

CO— P S A装置では、原料ガスホルダー 3からの CO— P SA吸着塔 4へのガス導入及び C O— P S AP及着塔 4からのガス排出の操作を繰り返し実施する。

このようにして、高炉ガスから高純度の H₂、 C0₂、 N₂、 COが高効率でしかも高い分離率で分離される。尚、水素分難置 5を設置する ¾ ^に、水素分難置 5としては、前述したように、水素以外のガス成分を強く吸着する P S A装置であっても、また、 7素分離膜であってもよいが、 7素以外のガス成分を強く吸着する P S A装置を用いるには、 P及着剤が水素以外の成分によって***した時点で、減圧による脱気操作、または、水素による洗净操作若しくは逆 »操作を行うことが好ましい。 ¾¾Eによる脱気操作、または、 7素による洗净操作若しくは逆洗浄操作を行うことにより、一酸化炭素及び窒素の損失を最小限に抑制することが可能となる。

図 5に、第一の実施形態例において、水素分離装置 5が膜分離装置である場合を示す。水素分 1¾置 5により、 7素及び不可避的不純物ガス成分からなるガス j (高純度水素ガス) の分離と同時に分離され、排出される一酸化炭素及ぴ窒素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス kは、この分離排出ガス中に含有される水素の濃度が高い ¾ ^には原料ガスホルダー 1へ導入し、この分離排出ガス中に含有される水素の濃度が低!/ヽ: ^には原料ガスホルダ一 3へ導入する。

また、図 6に、第一の実施形態例において、 7_R素分 β置 5が吸着装置である # ^を示す。水素及ぴ窒素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス bを水素分 ||¾置 5に導入して、水素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガス j (高純度水素ガス）を分離する。

水素分 ||¾置 5が吸着装置であるに、 7_k素及び不可避的不純物ガス成分からなるガス jの分離後に、こよる吸着装置の脱気操作を行う ¾ ^の分作の模式図を図 7に示し、また、 τΚ素による吸着装置の洗浄操作を行う # ^の分觸作の模式図を図 8に示し、水素による吸着装置の逆洗浄操作を行うの分難作の模式図を図 9に示す。ここで、 7k による »操作とは、順方向の洗浄操作を意味し、吸着時のガスを導入する方向と同じ方向に洗浄用水素ガスを導入するという意味である。同様に、水素ガスによる逆洗浄操作とは、逆方向の洗净操作を意味し、吸着時のガスを導入する方向とは反対方向に洗浄用水素ガスを導入するという意味である。

R素分 «置 5が吸着装置の：！^に、この吸着装置の脱気操作を行う ^^には、図 7に示すように、 7R素分離装置 5に残った C O及ぴ N₂などを真空ポンプなどの排気装置 6で排出する。排出された C O及び N₂を主成分とする分離排出ガス 1は、この分離排出ガス中に含有される水素の濃度が高レヽ¾ ^には原料ガスホルダー 1へ導入し、この分 ϋ 出ガス中に含有きれる水素の濃度が低、場合には原料ガスホルダー 3へ導入する。

また、水素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガス； iの分離後に水素による吸着装置の洗浄操作を行う場合には、図 8に示すように、分離した、水素及び不可避的不純物ガス成分からなるガス jをブロアなどの送風装置 7で水素分离 |¾置 5に導入し、水素分 «置 5に残つた C O及び N₂並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスを排出する。排出された C O 及ぴ N₂及び ¾並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス mは、この分離排出ガス中に含有される水素の濃度が高いには原料ガスホルダー 1へ導入し、この分離排出ガス中に含有される水素の濃度が低いには原料ガスホルダー 3へ導入する。

同様に、水素による吸着装置の逆洗浄操作を行うには、図 9に示すように、分離した、水素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガス jを送風装置 7で水素分 Sl¾置 5に導入し、水素分置 5に残った C O及ぴ N₂並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスを排出する。排出された C O及び N₂及び並びに不可避的不純物ガス成分からなるガス IIは、'この分離排出ガス中に含有される水素の濃度が高!/ヽ^ mこは原料ガスホルダー 1へ導入し、この分離排出ガス中に含有される水素の濃度が低!/ヽ¾ ^には原料ガスホルダー 3へ導入する。

この^に、余分な配管などを設置する必要がなヽこと力ゝら、水素による逆洗浄操作の方がより望ましい。尚、図 5〜 9において、上記以外の構成は図 4と同一構成となっており、同一の部分は同一符号により示し、その説明は省略する。

次に、本発明に係る高炉ガスの分離方法、つまり、一段目のガス分離工程が二酸化炭素の分離工程で、二段目のガス分離工程が一酸化炭素の分離工程である ( 「本発明例」と称す）と、これとは逆に、一段目のガス分離工程が一酸化炭素の分離工程で、二段目のガス分離工程が二酸化炭素の分離工程である ( 「比較例 j と称す）とで、ガス分離に必要な投入電力の違いを表 1に示す。

表 1に示すように、一段目のガス分離工程を二酸化炭素の分離工程とした方が、そうでないに比べて投入が小さくできることが分かる。つまり、本発明に係る高炉ガスの分 ϋ ^法では、少ない投入エネルギーで高炉ガスの分離が行われる。

Claims

請求の範囲

1 . 高炉から排出される高炉ガスを、一段目のガス分離精製装置によって、二酸化炭素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスと、窒素及び一酸化炭素並びに不可避的不純物ガス成分からなるガスと、に分離し、

前記一段目のガス分離精製装置により分離された、窒素及び一酸化炭素並びに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、窒素及ぴ不可避的不純物ガス成分からなるガスと、一酸化炭素及び不可避的不純物ガス成分からなるガスと、に分離する、

髙垆ガスの分離方法。

2. 前記一段目のガス分離精製装置が、二酸化炭素を吸着によつて分離する吸着分離装置であり、前記二段目のガス分離精製装置が、一酸化炭素を吸着によつて分離する吸着分離装置である請求項 1に記載の高炉ガスの分离法。

3. t&IB—段目のガス分離精製装置が、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り、前記二段目のガス分離精製装置が、一酸化炭素を吸着によって分離する吸着分離装置である請求項 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が、二酸化炭素を吸着によって分離する吸着分離装置であり、前記二段目のガス分離精製装置が、一酸化炭素を吸収によつて分離する化学的吸収装置である請求項 1に記載の高炉ガスの分離方法。

5. 前記吸着分難置の出口側に、三段目のガス分離精製装置として、水素 »膜或いは水素以外の成分を吸着する吸着剤を配置し、 t&IB吸着分離装置から分離される水素及び窒素並ぴに不可避的不純物ガス成分からなるガスから水素及び不^ S的不純物ガス成分からなるガスを分離する、請求項 2ないし請求項 4の何れか 1つに記載の高炉ガスの分離方法。

6. 歸己 Ξ¾目のガス分離精製装置として水素以外の成分を吸着する吸着剤を配置し、該吸着剤によつて水素及び不可避的不純物ガス成分からなるガスを分離するに、 ΙΐίΙΒ吸着剤に吸着した成分を減圧による脱気操作または水素による洗净操作若しくは逆洗浄操作で除去することを特徴とする、請求項 5に記載の高炉ガスの分離方法。