(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気が大量に混入したヘリウム濃度5〜70容量%の排ガスを昇圧したのち液体窒素を冷熱源として冷却し、排ガス中の空気を液化分離した後、残余の微量成分を活性炭等の吸着剤で除去して高純度ヘリウムを得るヘリウム回収方法において、前記昇圧した排ガスの冷熱源として光ファイバー製造工程や光ガラス製造工程にガス化したのち供給される液体窒素を使用すると共に、冷熱のみを利用された低温窒素ガスを加温器で常温に昇温したのち光ファイバー製造工程や光ガラス製造工程等に供給することを特徴とするヘリウム回収方法。
【請求項２】
空気が大量に混入したヘリウム濃度5〜70容量%の排ガス中にSiO2パーティクルや塩化物が混入している場合、予めフィルターまたは前処理装置並びにフィルターと前処理装置で除去することを特徴とする請求項1記載のヘリウム回収方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバー製造工程、光ガラス製造工程、深海潜水チャンバーから排出される空気が大量に混入したヘリウムガスを、安価にして高品質ガスとして回収する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウムは、極低温装置の冷却源、光ファイバー製造工程や光ガラス製造工程の冷却装置の冷媒ガス、溶接時の保護ガス、化学産業における不活性雰囲気ガス、潜水作業の呼吸ガス、ガスクロマトグラフィーの担体ガス、漏水漏気発見のトレーサガス、バルーンガス等としてますます重要になっている。ヘリウムは、自然界の空気中に５．２ｐｐｍしか存在しないため、空気中から経済的に引き合う価格で分離することはできない。このため、我が国では、アメリカのテキサス州など限られた地域の天然ガスから分離され、液化されたヘリウムを輸入しているのが現状である。したがって、近年では、上記光ファイバー製造工程等で使用後、大気に放出されたヘリウムを捕集し、再度精製して循環使用することが要望されている。
【０００３】
空気を多量に含むヘリウムガスの精製方法としては、原料ガス中の水分と炭酸ガスを予め除去したのち、液体窒素で冷却した粗ヘリウム分離塔で空気分を液体空気として除去後、低温での吸着剤、例えば、活性炭にヘリウム以外の不純ガスを吸着させ、高純度のヘリウムガスを得る方法（ガス分離・精製とその利用技術−フジテクノシステム、Ｐ４３４）、窒素、メタン、その他のガスを吸着する炭素モレキュラーシーブに導入されるヘリウム含有天然ガスから圧力変動吸着法によりヘリウム濃縮を行う際に、ヘリウム含有天然ガスを循環式に４つの並列接続した吸着装置に導入し、これらの吸着装置をそれぞれ順次３工程を包含する圧力形成相、吸着相および４工程を包含する放圧相とし、かつ、３工程での圧力形成および第３放圧工程と第４放圧工程とを向流で実施する４工程での放圧を部分的に他の吸着装置との２段階の圧力平衡により行う方法（特公平８−３２５４９号公報）が提案されている。
【０００４】
また、他の方法としては、製造工程で回収された不純物を含むヘリウムガスを冷却する工程、冷却により液化した不純物とヘリウムガスを分離する工程、気液分離された液体成分を排出する工程とを経てヘリウムを精製する方法（特開平５−１７２４５７号公報）、製造工程で回収された不純物を含むヘリウムガスを圧縮して冷却したのち濾過工程に導入し、冷却されたヘリウムガス中の油、水分、粒状物を除去したのち、さらに、膜分離システム、吸着システム等から選択的に構成される精製装置に導入し、ヘリウムガス中の不純高沸点成分を除去してヘリウムを精製する方法（特開平６−２１０１５７号公報）が提案されている。
【０００５】
さらに、他の方法としては、原料ガスを圧縮したのち、液化点付近まで冷却したのち精留塔の下部に導入し、精留塔で精留分離して頂部から窒素とヘリウムガスの混合ガスを取出し、凝縮器を経て気液分離器に導入して気液分離した液体窒素を精留塔の精留部最上段に還流し、未凝縮気体をヘリウム粗精留塔の下部に導入し、ヘリウム粗精留塔で精留分離されたヘリウムガスを頂部より製品として取出す方法（特開平８−２６１６４５号公報）が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記ガス分離・精製とその利用技術に開示の方法は、原料ガス中の水分と炭酸ガスを予め除去したのち、液体窒素で冷却した粗ヘリウム分離塔で液体空気を除去後、低温での吸着分離により不純ガスを吸着分離するため、寒冷としての液体窒素を多量に消費する難点がある。また、液体窒素は、冷熱を利用しただけでそのまま大気中に無駄に放出されている。また、特公平８−３２５４９号公報に開示の方法は、ヘリウム含有天然ガスから濃度７６〜９０％の濃縮ヘリウムガスを回収するものであって、別途精製装置が必要である。
【０００７】
上記特開平５−１７２４５７号公報、特開平６−２１０１５７号公報に開示の方法は、いずれもヘリウム８０％以上を含有し、残りの不純物として空気を含んでいる原料ガスを対象としたものであり、製品としてヘリウムガスだけが製造されるものである。しかも、再精製の対象外となったヘリウム５０％以下を含有する低濃度ヘリウムガスは、他の不純物と共に排ガスとして処理されているのが現状である。
【０００８】
さらに、特開平８−２６１６４５号公報に開示の方法は、粗精留塔が必要で、設備が複雑となる難点を有し、低濃度ヘリウムを原料とし、流量が安定している場合のみ有利である。
【０００９】
一方、光ファイバー製造工場や光ガラス製造工場では、ヘリウムと共に多量の窒素ガスが使用されているが、その窒素ガスの供給は、極低温液化ガス貯槽に貯蔵された液体窒素を空温式の蒸発器でガス化して供給するのが一般的である。
【００１０】
本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解消し、空気が多量に混入したヘリウムガスから安価に高純度ヘリウムガスを回収できるヘリウム回収方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のヘリウム回収方法は、空気が大量に混入したヘリウム濃度５〜７０容量％の排ガスを昇圧したのち液体窒素を冷熱源として冷却し、排ガス中の空気を液化分離した後、残余の微量成分を活性炭等の吸着剤で除去して高純度ヘリウムを得るヘリウム回収方法において、前記昇圧した排ガスの冷熱源として光ファイバー製造工程や光ガラス製造工程にガス化したのち供給される液体窒素を使用すると共に、冷熱のみを利用された低温窒素ガスを加温器で常温に昇温したのち、光ファイバー製造工程や光ガラス製造工程等に供給することとしている。このように、前記昇圧した排ガスの冷熱源として光ファイバー製造工程や光ガラス製造工程にガス化したのち供給される液体窒素を使用することによって、前記昇圧した排ガスの冷却に使用する冷熱は、従来大気に放出していたエネルギーを有効に利用するので、冷熱コストをゼロと評価できる。また、冷熱を利用された低温窒素ガスは、加温器で常温に昇温したのち光ファイバー製造工程や光ガラス製造工程に供給することによって、従来通りに使用することができるので、安価に高純度のヘリウムを回収することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明において原料ガスとして用いる空気が多量に混入したヘリウム濃度５〜７０容量％の排ガスとしては、光ファイバー製造工程や光ガラス製造工程等から排出される排ガスを用いることができる。この光ファイバー製造工場や光ガラス製造工場、半導体製造工場等では、ヘリウムと共に酸素、窒素が使用されているが、窒素源として空温式の蒸発器で液体窒素をガス化して供給しており、空温式の蒸発器の冷熱は従来そのまま大気中に放出されていた。本発明では、この従来大気に放出していた液体窒素をガス化する際の冷熱を前記昇圧した排ガスの冷熱源として利用するので、冷熱コストをゼロと評価できる。
【００１３】
本発明において原料ガスとして用いる空気が多量に混入したヘリウム濃度５〜７０容量％の排ガスは、先ず回収排ガス量の変動を吸収するためにガスホルダーに一旦貯蔵したのち、所定圧力、例えば、１５０ｋｇ／ｃｍ2・Ｇでヘリウム回収精製装置に導入する。
【００１４】
昇圧した空気が多量に混入したヘリウム濃度5〜70容量%の排ガス中の水分と炭酸ガスを除去する前処理装置は、排ガス中の水分と炭酸ガスを除去できればよく、特に限定されないが、炭酸ガスと水分を選択的に吸着する吸着剤を充填した除炭乾燥器が適している。また、ヘリウム濃度5〜70容量%の排ガス中に光ファイバー製造工程等においてSiO2パーティクルや塩化物が混入している場合は、除塵用のフィルターまたは中和剤を充填した前処理装置並びに前記フィルターと前記前処理装置を設置し、後段のヘリウム精製器へ過大な負荷がかかることを防止することが望ましい。
【００１５】
本発明において使用するヘリウム精製器は、液体窒素の冷熱を用いての低温液化分離・吸着法を用いる。低温液化分離・吸着法は、液体窒素が供給される容器に吸着剤を充填したヘリウム精製器を浸漬したもので、ヘリウム精製器に導入された水分と炭酸ガスが除去された排ガスは、液体窒素の冷熱により冷却されて空気分が液化して排ガス中から分離されるので系外に排出し、残存する不純物を活性炭、炭素モレキュラーシーブ等の吸着剤に吸着分離させて高純度ヘリウムを回収する。
【００１６】
【実施例】
実施例１
以下に本発明のヘリウム回収方法の詳細を実施の一例を示す図１に基づいて説明する。図１は本発明のヘリウム回収精製装置のブロックダイヤグラムである。図１において、１はガスホルダーで空気が多量に混入したヘリウム濃度５〜７０容量％の光ファイバー製造工程や光ガラス製造工程等の排ガスが５００ｍｍＡｑで配管２により導入され、一旦貯蔵される。３はガスホルダー１内の前記排ガスを１５０ｋｇ／ｃｍ2・Ｇに昇圧する高圧圧縮機、４は炭酸ガスと水分を選択的に吸着する吸着剤を充填した前処理装置で、高圧圧縮機３で１５０ｋｇ／ｃｍ2・Ｇに昇圧され配管５により導入された前記排ガス中の水分と炭酸ガスを吸着分離する。６、７は液体窒素容器８、９に浸漬したヘリウム精製器で、ヘリウム以外の不純ガスを吸着する活性炭が充填されている。液体窒素容器８、９には、光ファイバー製造工程や光ガラス製造工程等の既設の極低温液化ガス貯槽から配管１０により７ｋｇ／ｃｍ2・Ｇの液体窒素が供給される。
【００１７】
ヘリウム精製器６、７に配管１１により導入された水分と炭酸ガスの除去された排ガスは、液体窒素容器８、９中の液体窒素の冷熱により冷却されて空気分が液化分離し、ヘリウム精製器６、７から排出されると共に、残存する不純物は、ヘリウム精製器６、７中に充填した活性炭に低温下で吸着される。空気分が液化分離されると共に不純物が吸着分離された高純度のヘリウムガスは、ヘリウム精製器６、７を通過して配管１２を経由し、高圧容器１３に１５０ｋｇ／ｃｍ2・Ｇで充填される。また、一部の高純度ヘリウムガスは、減圧弁１４により７ｋｇ／ｃｍ2・Ｇに減圧され、光ファイバー製造工程や光ガラス製造工程等のヘリウム使用工場へ配管１５により送られ使用される。
【００１８】
一方、ヘリウム精製器６または７からヘリウム以外の不純物が流出しはじめる前の時点で、図示しない切替弁を操作し、水分と炭酸ガスの除去された排ガスの導入をヘリウム精製器７または６に切替えて連続運転する。切替えられて排ガスの導入が停止したヘリウム精製器６または７の吸着器は、図示しない切替弁を操作し、活性炭から不純物を図示しないヒータで加熱して追い出す再生作業を行い、次の切替えまで待機する。ヘリウム精製器６または７の冷却に使用された液体窒素は、液体窒素容器８または９中でガス化されるが、まだ常温までは温度が上昇していないので、ガス化窒素ガスを配管１６により加温器１７に導入して常温まで加温し、配管１８により搬送してそのまま使用するか、窒素圧縮機１９で７ｋｇ／ｃｍ2・Ｇに昇圧して配管２０により光ファイバー製造工程や光ガラス製造工程等のヘリウム使用工場へ送り使用するか、あるいは配管２１により既設の図示しない寒冷蒸発器の出側に導入されるよう構成されている。
【００１９】
上記のとおり構成したことによって、ガスホルダー１に一旦貯蔵された空気が多量に混入したヘリウム濃度５〜７０容量％の光ファイバー製造工程や光ガラス製造工程等の排ガスは、高圧圧縮機３で１５０ｋｇ／ｃｍ2・Ｇに昇圧されたのち、配管５により炭酸ガスと水分を選択的に吸着する吸着剤を充填した前処理装置４に導入され、炭酸ガスと水分が除去される。炭酸ガスと水分が除去された前記排ガスは、配管１１により例えば液体窒素容器８に浸漬されたヘリウム精製器６に導入され、液体窒素の冷熱により冷却されて排ガス中の空気分が液化して系外へ分離排出される。さらに、排ガス中に残存する不純物は、ヘリウム精製器６を通過時に活性炭に低温吸着されて除去され、精製された高純度ヘリウム（純度９９．９９５％以上）となる。
【００２０】
ヘリウム精製器６を通過した高純度ヘリウムは、配管１２により抜き出され、高圧容器１３に１５０ｋｇ／ｃｍ2・Ｇで充填され、一部は減圧弁１４により７ｋｇ／ｃｍ2・Ｇに減圧したのち、配管１５により再度光ファイバー製造工場や光ガラス製造工場等のヘリウム使用工場に搬送されて使用される。ヘリウム精製器６の活性炭に吸着した不純物が飽和した時点で、図示しない切替弁を操作して炭酸ガスと水分が除去された前記排ガスを液体窒素容器９に浸漬されたヘリウム精製器７への導入に切替えて連続運転すると共に、ヘリウム精製器６の吸着剤は不純物を加熱して追出す再生操作を行い、次の切替えに備える。
【００２１】
一方、液体窒素容器８で冷熱が使用された液体窒素は、ガス化するが、まだ常温となっていないので、配管１６によりガス化した窒素ガスを加温器１７に導入し、常温まで加温したのち、そのまま使用する場合は配管１８により使用先に搬送するか、窒素圧縮機１９で７ｋｇ／ｃｍ2・Ｇまで昇圧して配管２０により光ファイバー製造工場や光ガラス製造工場等のヘリウム使用工場に搬送するか、あるいは、配管２１により図示しない既設の空温式の蒸発器の出側に搬入する。
【００２２】
ガスホルダー１の空気が多量に混入したヘリウム濃度５〜７０容量％の排ガスは、上記操作を繰り返すことによって連続的に精製されて高純度ヘリウムが回収される。この排ガスの精製に使用する冷熱は、従来空温式の蒸発器でガス化していた液体窒素の冷熱を有効利用するので、冷熱コストはゼロと評価できる。
【００２３】
実施例２
ヘリウム３０％、空気７０％からなる原料ガス１０Ｎｍ3／Ｈｒを、高圧圧縮機で１５０ｋｇ／ｃｍ2・Ｇに昇圧して前処理装置で水分と炭酸ガスを除去したのち、３ｋｇ／ｃｍ2・Ｇの液体窒素で冷却された活性炭充填のヘリウム精製器に導入し、空気を液化分離すると共に、不純物を活性炭で吸着し、純度９９．９９５％以上のヘリウムガス２．９Ｎｍ3／Ｈｒを得た。ヘリウム精製器で冷熱を利用された液体窒素は、ガス化するので加温器に導入して常温まで加温し、光ファイバー製造工程に３ｋｇ／ｃｍ2・Ｇで搬送して使用に供した。
【００２４】
【発明の効果】
本発明のヘリウム回収方法は、従来空温式の蒸発器を用いてガス化していた液体窒素の冷熱を有効利用するので、冷熱コストがゼロと評価できると共に、冷熱を利用されてガス化した窒素ガスは、必要圧力まで昇圧して従来通りに使用でき、しかも、液体窒素を用いての低温液化分離・吸着法であるため、回収ヘリウムガスの純度は９９．９９５％以上であり、高価なヘリウムガスを、安価で高品質で効率よく回収・精製して再使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヘリウム回収精製装置のブロックダイヤグラムである。
【符号の説明】
１  ガスホルダー
２、５、１０、１１、１２、１５、１６、１８、２０、２１  配管
３  高圧圧縮機
４  前処理装置
６、７  ヘリウム精製器
８、９  液体窒素容器
１３  高圧容器
１４  減圧弁
１７  加温器
１９  窒素圧縮機
【図１】
0003639087.tif 000002