(57)【要約】【課題】  ゼオライトなどの窒素吸収用吸着剤を利用して、空気から酸素富化空気を製造するに当たり、空気中の水分の影響を受けず、長期間にわたって安定して酸素富化空気を製造することのできる酸素富化空気の製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】  圧力の増加に伴って窒素吸着量が増加する窒素吸収用吸着剤２を挟んで、その両側にそれぞれ水分吸収用吸着剤３，４を配置し、これらの吸着剤をその軸心を中心として回転させるとともに、これらの吸着剤に対してそれぞれ反対側の方向から圧力の異なる空気を供給し、これらの空気を水分吸収用吸着剤、窒素吸収用吸着剤、水分吸収用吸着剤の順に通過させ、相対的に圧力を高くした空気に対して脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に圧力を下げた空気に対して脱水分処理、窒素富化処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に圧力を高くした空気の酸素富化を行う。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力の増加に伴って窒素吸着量が増加する窒素吸収用吸着剤を挟んで、その両側にそれぞれ水分吸収用吸着剤を配置し、これらの吸着剤をその軸心を中心として回転させるとともに、これらの吸着剤に対してそれぞれ反対側の方向から圧力の異なる空気を供給し、これらの空気を水分吸収用吸着剤、窒素吸収用吸着剤、水分吸収用吸着剤の順に通過させ、相対的に圧力を高くした空気に対して脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に圧力を下げた空気に対して脱水分処理、窒素富化処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に圧力を高くした空気の酸素富化を行うことを特徴とする、酸素富化空気の製造方法。
【請求項２】
温度の低下に伴って窒素吸着量が増加する窒素吸収用吸着剤を挟んで、その両側にそれぞれ水分吸収用吸着剤を配置し、これらの吸着剤をその軸心を中心として回転させるとともに、これらの吸着剤に対してそれぞれ反対側の方向から温度の異なる空気を供給し、これらの空気を水分吸収用吸着剤、窒素吸収用吸着剤、水分吸収用吸着剤の順に通過させ、相対的に温度を低くした空気に対して脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に温度を高くした空気に対して脱水分処理、窒素富化処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に温度を低くした空気の酸素富化を行うことを特徴とする、酸素富化空気の製造方法。
【請求項３】
圧力の増加並びに温度の低下に伴って窒素吸着量が増加する窒素吸収用吸着剤を挟んで、その両側にそれぞれ水分吸収用吸着剤を配置し、これらの吸着剤をその軸心を中心として回転させるとともに、これらの吸着剤に対してそれぞれ反対側の方向から、他方に比べて相対的に圧力が高く且つ温度が低くなるように調整した圧力及び温度の異なる空気を供給し、これらの空気を水分吸収用吸着剤、窒素吸収用吸着剤、水分吸収用吸着剤の順に通過させ、相対的に圧力を高め且つ温度を低くした空気に対して脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に圧力を下げ且つ温度を高くした空気に対して脱水分処理、窒素富化処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に圧力を高め且つ温度を低くした空気の酸素富化を行うことを特徴とする、酸素富化空気の製造方法。
【請求項４】
前記脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施されて製造される酸素富化空気は、高炉側壁の羽口から高炉内に吹き込まれる酸素富化空気、或いは、加熱炉または熱風炉で燃焼用ガスとして使用される酸素富化空気のうちの何れかであることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の酸素富化空気の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の酸素富化空気の製造方法に基づいて製造した酸素富化空気を空気で希釈し、希釈した後の混合ガスを高炉内に吹き込まれる酸素富化空気とすることを特徴とする酸素富化空気の製造方法。
【請求項６】
前記脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施されて製造される酸素富化空気の酸素濃度は３０〜３５％であることを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の酸素富化空気の製造方法。
【請求項７】
前記脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施されて製造される酸素富化空気は、高純度の純酸素を製造するための原料となる酸素富化空気であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の酸素富化空気の製造方法。
【請求項８】
前記脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施されて製造される酸素富化空気の酸素濃度は３０％以上であることを特徴とする、請求項７に記載の酸素富化空気の製造方法。
【請求項９】
軸心を中心として回転可能な第１の円筒型容器と、第１の円筒型容器を挟んで第１の円筒型容器の軸心方向に相対して配置された、軸心を中心として回転可能な第２及び第３の円筒型容器と、前記第１の円筒型容器に配置された窒素吸収用吸着剤と、前記第２の円筒型容器に配置された水分吸収用吸着剤と、前記第３の円筒型容器に配置された水分吸収用吸着剤と、第２の円筒型容器、第１の円筒型容器、第３の円筒型容器の順に通過する空気を供給するための第１の空気供給流路と、これとは反対方向の、第３の円筒型容器、第１の円筒型容器、第２の円筒型容器の順に通過する空気を供給するための第２の空気供給流路と、前記第１の空気供給流路によって供給された空気を受けるための第１の空気排出流路と、前記第２の空気供給流路によって供給された空気を受けるための第２の空気排出流路と、を備えることを特徴とする、酸素富化空気の製造装置。
【請求項１０】
軸心を中心として回転可能な円筒型容器と、該円筒型容器に配置された窒素吸収用吸着剤と、該窒素吸収用吸着剤を挟んで前記円筒型容器に相対して配置された一対の水分吸収用吸着剤と、前記円筒型容器に対してそれぞれ反対側の方向から、水分吸収用吸着剤、窒素吸収用吸着剤、水分吸収用吸着剤の順に通過する空気を供給するための空気供給流路と、該空気供給流路によって供給され、前記円筒型容器を通過した空気を受けるための空気排出流路と、を備えることを特徴とする、酸素富化空気の製造装置。
【請求項１１】
前記窒素吸収用吸着剤は、圧力の増加に伴って窒素の吸着量が増加する窒素吸収用吸着剤であって、前記空気供給流路を介して前記窒素吸収用吸着剤に対してそれぞれ反対側の方向から供給される空気は、それぞれ圧力が異なることを特徴とする、請求項９または請求項１０に記載の酸素富化空気の製造装置。
【請求項１２】
前記窒素吸収用吸着剤は、温度の低下に伴って窒素の吸着量が増加する窒素吸収用吸着剤であって、前記空気供給流路を介して前記窒素吸収用吸着剤に対してそれぞれ反対側の方向から供給される空気は、それぞれ温度が異なることを特徴とする、請求項９または請求項１０に記載の酸素富化空気の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中の窒素成分を除去することによって空気から酸素富化空気を製造する方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鉱石から溶銑を製造する高炉、或いは廃棄物の焼却炉や溶融炉、更には鋳片の加熱炉などへ吹き込まれる空気は、燃焼効率を上げるために、酸素濃度を増加させた酸素富化空気が吹き込まれることが多い。従来の酸素富化空気の製造方法は、深冷分離法、ＰＳＡ法などにより、空気からほぼ１００％濃度の高純度の酸素（「純酸素」という）を製造し、これに空気を混合して希釈し、所望する酸素濃度の酸素富化空気を製造していた。しかしながら、深冷分離法、ＰＳＡ法を用いて純酸素を製造し、この純酸素を空気で希釈して酸素富化空気を製造する方法では、純酸素を製造する際に大きな動力を必要とし、使用する酸素富化空気の酸素濃度は低濃度であるにも拘わらず、結果的に大きな動力が必要となっていた。
【０００３】
この問題を解決するべく、特許文献１には、円筒型容器に窒素吸収用吸着剤であるゼオライトを充填させ、温度の低下に伴って窒素の吸着量が増加するというゼオライトの窒素吸収能力を利用し、前記円筒型容器の中心を軸として回転させ、回転する円筒型容器に温度の異なる２つの空気をそれぞれ独立して供給し、温度の低い側の空気の窒素をゼオライトで吸収し、吸収した窒素を温度の高い側の空気に放出し、これを連続して行うことにより、温度の低い側の空気の酸素富化を行う技術が提案されている。
【０００４】
特許文献１によれば、ゼオライトに温度の高い空気を流すことによって窒素がゼオライトに飽和しないので、長期間にわたり連続的に運転することができ、酸素富化空気の製造に当たり、動力の大幅な低下が可能になるとしている。
【特許文献１】特開２００１−７０７３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１には以下の問題点がある。
【０００６】
即ち、ゼオライトは、窒素を吸収するための有力な吸着剤であるが、水分の吸着剤でもある。従って、ゼオライトが充填された円筒型容器に空気を流した場合、空気中の水分を吸収しながら窒素を吸収することになる。この吸収した水分をゼオライトから効率的に放出しない限り、吸収した水分によってゼオライトの吸収能は低下し、ゼオライトは、水分吸収用吸着剤としての機能のみならず、窒素吸収用吸着剤としての機能を消滅する。
【０００７】
特許文献１では、ゼオライトが充填された円筒型容器に、温度の異なる２つの空気をそれぞれ独立して供給しているが、これら２つの空気は脱水分処理を行っておらず、温度こそ異なるものの基本的に水分濃度が同等であり、従って、ゼオライトから水分を除去する作用は働かず、ゼオライトは水分を吸収し続け、やがて、水分吸収用吸着剤及び窒素吸収用吸着剤としての機能が停止する。つまり、特許文献１では、ゼオライトが水分を吸収することに起因して、長期間にわたって酸素富化空気を製造することができないという問題点がある。
【０００８】
また、従来、深冷分離法、ＰＳＡ法などによってほぼ１００％濃度の純酸素を製造する場合に、原料として空気を用いていたが、大量の酸素富化空気を安価に製造することができるならば、酸素富化空気を原料とした方が、深冷分離法、ＰＳＡ法などによって純酸素を製造する場合にもトータル的に効率的である。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ゼオライトなどの窒素吸収用吸着剤を利用して、空気から、高炉や加熱炉などへ燃焼用ガスとして供給される酸素富化空気を製造する、或いは純酸素を製造するための酸素富化空気を製造するに当たり、空気中の水分の影響を受けず、長期間にわたって安定して酸素富化空気を製造することのできる酸素富化空気の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための第１の発明に係る酸素富化空気の製造方法は、圧力の増加に伴って窒素吸着量が増加する窒素吸収用吸着剤を挟んで、その両側にそれぞれ水分吸収用吸着剤を配置し、これらの吸着剤をその軸心を中心として回転させるとともに、これらの吸着剤に対してそれぞれ反対側の方向から圧力の異なる空気を供給し、これらの空気を水分吸収用吸着剤、窒素吸収用吸着剤、水分吸収用吸着剤の順に通過させ、相対的に圧力を高くした空気に対して脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に圧力を下げた空気に対して脱水分処理、窒素富化処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に圧力を高くした空気の酸素富化を行うことを特徴とするものである。
【００１１】
第２の発明に係る酸素富化空気の製造方法は、温度の低下に伴って窒素吸着量が増加する窒素吸収用吸着剤を挟んで、その両側にそれぞれ水分吸収用吸着剤を配置し、これらの吸着剤をその軸心を中心として回転させるとともに、これらの吸着剤に対してそれぞれ反対側の方向から温度の異なる空気を供給し、これらの空気を水分吸収用吸着剤、窒素吸収用吸着剤、水分吸収用吸着剤の順に通過させ、相対的に温度を低くした空気に対して脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に温度を高くした空気に対して脱水分処理、窒素富化処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に温度を低くした空気の酸素富化を行うことを特徴とするものである。
【００１２】
第３の発明に係る酸素富化空気の製造方法は、圧力の増加並びに温度の低下に伴って窒素吸着量が増加する窒素吸収用吸着剤を挟んで、その両側にそれぞれ水分吸収用吸着剤を配置し、これらの吸着剤をその軸心を中心として回転させるとともに、これらの吸着剤に対してそれぞれ反対側の方向から、他方に比べて相対的に圧力が高く且つ温度が低くなるように調整した圧力及び温度の異なる空気を供給し、これらの空気を水分吸収用吸着剤、窒素吸収用吸着剤、水分吸収用吸着剤の順に通過させ、相対的に圧力を高め且つ温度を低くした空気に対して脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に圧力を下げ且つ温度を高くした空気に対して脱水分処理、窒素富化処理、水分富化処理の順に処理を施し、相対的に圧力を高め且つ温度を低くした空気の酸素富化を行うことを特徴とするものである。
【００１３】
第４の発明に係る酸素富化空気の製造方法は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、前記脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施されて製造される酸素富化空気は、高炉側壁の羽口から高炉内に吹き込まれる酸素富化空気、或いは、加熱炉または熱風炉で燃焼用ガスとして使用される酸素富化空気のうちの何れかであることを特徴とするものである。
【００１４】
第５の発明に係る酸素富化空気の製造方法は、第１ないし第３の発明の何れか１つに記載の酸素富化空気の製造方法に基づいて製造した酸素富化空気を空気で希釈し、希釈した後の混合ガスを高炉内に吹き込まれる酸素富化空気とすることを特徴とするものである。
【００１５】
第６の発明に係る酸素富化空気の製造方法は、第４または第５の発明において、前記脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施されて製造される酸素富化空気の酸素濃度は３０〜３５％であることを特徴とするものである。
【００１６】
第７の発明に係る酸素富化空気の製造方法は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、前記脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施されて製造される酸素富化空気は、高純度の純酸素を製造するための原料となる酸素富化空気であることを特徴とするものである。
【００１７】
第８の発明に係る酸素富化空気の酸素富化空気の製造方法は、第７の発明において、前記脱水分処理、脱窒素処理、水分富化処理の順に処理を施されて製造される酸素富化空気の酸素濃度は３０％以上であることを特徴とするものである。
【００１８】
第９の発明に係る酸素富化空気の製造装置は、軸心を中心として回転可能な第１の円筒型容器と、第１の円筒型容器を挟んで第１の円筒型容器の軸心方向に相対して配置された、軸心を中心として回転可能な第２及び第３の円筒型容器と、前記第１の円筒型容器に配置された窒素吸収用吸着剤と、前記第２の円筒型容器に配置された水分吸収用吸着剤と、前記第３の円筒型容器に配置された水分吸収用吸着剤と、第２の円筒型容器、第１の円筒型容器、第３の円筒型容器の順に通過する空気を供給するための第１の空気供給流路と、これとは反対方向の、第３の円筒型容器、第１の円筒型容器、第２の円筒型容器の順に通過する空気を供給するための第２の空気供給流路と、前記第１の空気供給流路によって供給された空気を受けるための第１の空気排出流路と、前記第２の空気供給流路によって供給された空気を受けるための第２の空気排出流路と、を備えることを特徴とするものである。
【００１９】
第１０の発明に係る酸素富化空気の製造装置は、軸心を中心として回転可能な円筒型容器と、該円筒型容器に配置された窒素吸収用吸着剤と、該窒素吸収用吸着剤を挟んで前記円筒型容器に相対して配置された一対の水分吸収用吸着剤と、前記円筒型容器に対してそれぞれ反対側の方向から、水分吸収用吸着剤、窒素吸収用吸着剤、水分吸収用吸着剤の順に通過する空気を供給するための空気供給流路と、該空気供給流路によって供給され、前記円筒型容器を通過した空気を受けるための空気排出流路と、を備えることを特徴とするものである。
【００２０】
第１１の発明に係る酸素富化空気の製造装置は、第９または第１０の発明において、前記窒素吸収用吸着剤は、圧力の増加に伴って窒素の吸着量が増加する窒素吸収用吸着剤であって、前記空気供給流路を介して前記窒素吸収用吸着剤に対してそれぞれ反対側の方向から供給される空気は、それぞれ圧力が異なることを特徴とするものである。
【００２１】
第１２の発明に係る酸素富化空気の製造装置は、第９または第１０の発明において、前記窒素吸収用吸着剤は、温度の低下に伴って窒素の吸着量が増加する窒素吸収用吸着剤であって、前記空気供給流路を介して前記窒素吸収用吸着剤に対してそれぞれ反対側の方向から供給される空気は、それぞれ温度が異なることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、高炉などに供給する酸素富化空気を製造するに当たり、窒素吸収用吸着剤を挟んでその両側に水分吸収用吸着剤を配置し、これらの吸着剤に対して各々反対側の方向から空気を供給し、水分吸収用吸着剤、窒素吸収用吸着剤、水分吸収用吸着剤の順に通過させるので、供給された空気は先ず脱水分処理が施され、水分が除去された後に窒素吸収用吸着剤に接触するので、窒素吸収用吸着剤は水分の影響を受けることなく、供給される空気から窒素を吸着し、吸収した窒素を反対側から供給される空気に放出する。つまり、窒素吸収用吸着剤は、水分の影響を受けることなく、長期間にわたって連続的に窒素の吸着及び放出を遂行する。
【００２３】
また、水分吸収用吸着剤は、一方の側から供給される空気に接触し、この空気に含まれる水分を吸着するが、反対側から供給される空気は、窒素吸収用吸着剤を挟んで相対して設けた他方の水分吸収用吸着剤によって既に水分が除去された乾燥状態であり、水分を吸着した水分吸収用吸着剤は、円筒型容器の回転によって水分が除去された乾燥状態の空気と接触するので、吸着した水分を乾燥状態の空気に放出し、水分吸収用吸着剤中の水分吸着量は減少する。つまり、それぞれの水分吸収用吸着剤は水分の吸着と放出とを繰り返し行うので、水分吸収用吸着剤も長期間にわたって連続的にその機能を遂行する。
【００２４】
即ち、本発明によれば、空気中の水分の影響を受けず、長期間にわたって安定して、大きな動力を必要とせずに酸素富化空気を製造することができ、工業上有益な効果がもたらされるのみならず、ＣＯ2の発生量も削減され、自然環境上においても有益な効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明に係る酸素富化空気製造装置の概略斜視図、図２は、図１に示す、本発明に係る酸素富化空気製造装置の一部分を構成する第１の円筒型容器及び第２の円筒型容器の概略斜視図であり、（Ａ）が第１の円筒型容器、（Ｂ）が第２の円筒型容器を示している。
【００２６】
図１に示すように、管体１３の内部には、軸心２ａを中心として電動機（図示せず）により回転可能な第１の円筒型容器２が配置され、この第１の円筒型容器２を挟み、軸心２ａの方向に相対して第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４が配置されている。第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４は、その軸心方向を第１の円筒型容器２の軸心２ａと同一とし、軸心２ａを中心として電動機（図示せず）により回転可能となっている。この場合、これらの第１〜３の円筒型容器を同一の電動機で回転させても、また、それぞれ個別の電動機で回転させてもどちらでも構わない。個別の電動機で回転させる場合に回転数がそれぞれ異なっていても構わない。また、図１では回転方向が同一であるが、異なっていても構わない。
【００２７】
第１の円筒型容器２の内部は、図２（Ａ）に示すように、軸心２ａから放射状に伸びる仕切板８によって複数に仕切られており、仕切られたそれぞれの部位には、金網、ネット（図示せず）などで囲まれて、窒素吸収用吸着剤５が充填されている。窒素吸収用吸着剤５としては、ゼオライトを用いることが好ましい。尚、ゼオライトとは、結晶性無機酸化物であり、具体的には、結晶性シリケート、結晶性アルミノシリケート、結晶性メタロシリケート、結晶性アルミノホスフェート、結晶性メタロアルミノホスフェートなどで構成された結晶性マイクロポーラス物質である。また、仕切板８は、第１の円筒型容器２の剛性を確保するための補強材としても機能している。
【００２８】
また、第２の円筒型容器３の内部構造は、図２（Ｂ）に示すように、第１の円筒型容器２の内部構造と同一であり、仕切板８によって仕切られたそれぞれの部位には、金網、ネットなどで囲まれて、水分吸収用吸着剤６が充填されている。図示はしないが第３の円筒型容器４の内部構造も第２の円筒型容器３の内部構造と同一であり、仕切板８によって仕切られたそれぞれの部位には、水分吸収用吸着剤７が充填されている。水分吸収用吸着剤６及び水分吸収用吸着剤７としては、シリカゲルなどの慣用の水分吸収用吸着剤を使用することができる。
【００２９】
尚、第１の円筒型容器２、第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４の内部構造を、図２に示す構造に替えて、図３に示すようなハニカム構造体で構成してもよい。つまり、仕切り板８で仕切られたそれぞれの部位に、表面に窒素吸収用吸着剤５が塗布されたハニカム構造体２６を配置するようにしてもよい。第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４では、ハニカム構造体２６の表面に、窒素吸収用吸着剤５に替えて水分吸収用吸着剤６，７を塗布する。窒素吸収用吸着剤５及び水分吸収用吸着剤６，７での圧力損失を低減するためには、これらの吸着剤を、円筒型容器の内部に充填せずに、ハニカム構造体２６に塗布することが好ましいが、窒素吸収用吸着剤５及び水分吸収用吸着剤６，７をハニカム構造体２６の表面に厚く塗布することは難しく、必要量を塗布するためにはハニカム構造体２６の形状が大きくなり、経済性を損なう場合もあるので、ハニカム構造体２６を採用する場合には、その点を考慮する必要がある。尚、図３は、本発明に係る酸素富化空気製造装置の第１の円筒型容器の他の例を示す概略図であり、（Ａ）が第１の円筒型容器２の斜視図、（Ｂ）がハニカム構造体２６の拡大図である。
【００３０】
管体１３の内部には、第１の円筒型容器２、第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４を挟んで管体１３の中心線を通る位置に分離板１４が設置されており、分離板１４によって管体１３の内部に２つの流路が形成されている。つまり、図１において、左側下段の第１の空気供給流路９に供給された空気は、第２の円筒型容器３、第１の円筒型容器２、第３の円筒型容器４の順に通過し、右側下段の第１の空気排出流路１１に排出するようになっている。一方、図１において、右側上段の第２の空気供給流路１０に供給された空気は、第３の円筒型容器４、第１の円筒型容器２、第２の円筒型容器３の順に通過し、左側上段の第２の空気排出流路１２に排出するようになっている。
【００３１】
本発明においては、このように空気を逆向き方向に流すことを必須条件とする。但し、第１の円筒型容器２、第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４は軸心２ａを中心として連続的或いは断続的に回転しており、そのために、第１の空気供給流路９から供給された空気の全てが第１の空気排出流路１１から排出するわけではなく、同様に、第２の空気供給流路１０から供給された空気の全てが第２の空気排出流路１２から排出するわけではなく、一部分の空気は相互に混合するが、本発明においては、一部分の空気の混合は問題としない。
【００３２】
第１の空気供給流路９、第２の空気供給流路１０、第１の空気排出流路１１及び第２の空気排出流路１２には、それぞれ配管（図示せず）が連結されており、これらの配管を介して第１の空気供給流路９及び第２の空気供給流路１０へ空気が供給され、また、これらの配管を介して第１の空気排出流路１１及び第２の空気排出流路１２から排出される空気が所定の場所に導かれる。
【００３３】
このようにして本発明に係る酸素富化空気製造装置１が構成されている。この酸素富化空気製造装置１を用い、以下のようにして空気から酸素富化空気を製造する。
【００３４】
先ず、窒素吸収用吸着剤５として用いるゼオライトの窒素吸着能について説明する。図４は、ゼオライトの窒素吸着量と圧力との関係を定性的に示す図で、図５は、ゼオライトの窒素吸着量と圧力及び温度との関係を定性的に示す図である。
【００３５】
図４に示すように、ゼオライトは圧力が高くなるほど窒素吸着量が増加する性質があり、圧力Ｐ1の雰囲気下で空気をゼオライトに接触させると、ゼオライトは吸着量がＣ1値となるまで窒素を吸着する。これにより、空気の窒素は減少し、窒素が減少した分に相当するだけ酸素富化が行われる。一方、圧力Ｐ2（但し、Ｐ2＜Ｐ1）では、ゼオライトの窒素吸着量はＣ2値に低下するので、Ｃ1値まで吸着していたゼオライトは、圧力Ｐ2の空気に触れると吸着していた窒素を放出し、ゼオライトの吸着量はＣ1値からＣ2値まで低下する。窒素が放出された空気の窒素含有量は増加し、窒素富化が行われる。
【００３６】
つまり、ゼオライトに圧力の異なる空気を接触させることで、圧力差により定まる窒素吸着量の差に応じて、相対的に圧力の高い空気の酸素富化が行われ、一方、相対的に圧力の低い空気の窒素富化が行われる。ゼオライトに圧力の異なる空気を交互に接触させることで、ゼオライトは窒素の吸着と放出とを繰り返し行い、窒素吸着量が一旦飽和に達したとしても、飽和状態のままで留まることはなく、半永久的に酸素富化が行われる。
【００３７】
また、図５に示すように、ゼオライトは温度によっても窒素吸着量が異なり、圧力が一定であっても、温度の低下に伴って窒素吸着量が増加する。つまり、圧力をＰ3の一定値として、温度Ｔ2よりも低温の温度Ｔ1の空気をゼオライトに接触させると、ゼオライトは吸着量がＣ3値となるまで窒素を吸収する。これにより、空気の窒素は減少し、窒素が減少した分に相当するだけ酸素富化が行われる。一方、温度Ｔ2ではゼオライトの窒素吸着量はＣ4値に低下するので、ゼオライトは、温度Ｔ2の空気に触れると吸着していた窒素を放出し、ゼオライトの吸着量はＣ3値からＣ4値まで低下する。窒素が放出された空気の窒素含有量は増加し、窒素富化が行われる。
【００３８】
つまり、ゼオライトに温度の異なる空気を接触させることで、温度差により定まる窒素吸着量の差に応じて、相対的に温度の低い空気の酸素富化が行われ、一方、相対的に温度の高い空気の窒素富化が行われる。ゼオライトに温度の異なる空気を交互に接触させることで、ゼオライトは窒素の吸着と放出とを繰り返し行い、窒素吸着量が一旦飽和に達したとしても、飽和状態のままで留まることはなく、半永久的に酸素富化が行われる。
【００３９】
この場合、酸素富化する側の空気の圧力を高め且つ温度を低くすることで、図５からも伺い知れるように、ゼオライトの窒素吸着量の差はより大きくなり、酸素富化を効率的に行うことが可能となる。
【００４０】
次に、このようなゼオライトの窒素吸着能を利用して、酸素富化空気製造装置１により空気から酸素富化空気を製造する方法を説明する。
【００４１】
図１において、第１の円筒型容器２、第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４を、軸心２ａを中心として連続的或いは断続的に回転させながら、第１の空気供給流路９から供給する空気の圧力を、第２の空気供給流路１０から供給する空気の圧力よりも高くするか、または、第１の空気供給流路９から供給する空気の温度を、第２の空気供給流路１０から供給する空気の温度よりも低くするか、若しくは、第１の空気供給流路９から供給する空気を、第２の空気供給流路１０から供給する空気に比べて圧力を高く且つ温度を低くして、第１の空気供給流路９及び第２の空気供給流路１０から空気を供給する。供給する空気の圧力調整は、例えば、空気を送風するための送風機の吐出圧力の調整などによって行い、供給する空気の温度調整は、供給配管にヒーター或いは加熱炉などの排熱が供給される熱交換器などを設置することによって行うことができる。
【００４２】
第１の空気供給流路９から供給された空気は、第２の円筒型容器３に充填された水分吸収用吸着剤６と接触して水分が除去され（「脱水分処理」という）、脱水分処理された空気は、第１の円筒型容器２に充填された窒素吸収用吸着剤５と接触する。ここで、第１の空気供給流路９から供給された空気は、第２の空気供給流路１０から供給された空気に比較して圧力が高い、または温度が低い、若しくは圧力が高く且つ温度が低いので、ゼオライトなどからなる窒素吸収用吸着剤５によって窒素が吸着され、窒素が減少して、酸素富化が行われる（「脱窒素処理」という）。脱窒素処理は「酸素富化処理」ともいう。
【００４３】
一方、第２の空気供給流路１０から供給された空気は、第３の円筒型容器４に充填された水分吸収用吸着剤７と接触して脱水分処理が施され、脱水分処理された空気は、第１の円筒型容器２に流入し、第１の円筒型容器２に充填された窒素吸収用吸着剤５と接触する。第２の空気供給流路１０から供給された空気は、第１の空気供給流路９から供給された空気に比較して圧力が低い、または温度が高い、若しくは圧力が低く且つ温度が高いので、この空気と接触することによってゼオライトなどからなる窒素吸収用吸着剤５の窒素吸着量が低下し、窒素吸着量の差分の窒素が第２の空気供給流路１０から供給された空気に放出される。これにより、第２の空気供給流路１０から供給された空気の窒素濃度が増加する（「窒素富化処理」という）。このようにすることで、窒素吸収用吸着剤５は窒素吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、連続して窒素の吸着・放出を遂行する。
【００４４】
その後、第２の空気供給流路１０から供給された、窒素富化処理された空気は、第２の円筒型容器３に流入し、水分吸収用吸着剤６と接触する。水分吸収用吸着剤６は、第１の空気供給流路９から供給された空気と接触し、この空気に含まれる水分を吸着しているが、第２の空気供給流路１０から供給された空気は、第３の円筒型容器４に充填された水分吸収用吸着剤７によって既に水分が除去された乾燥状態の空気であるので、水分吸収用吸着剤６に吸着した水分は、第２の空気供給流路１０から供給された空気に放出され、この空気の水分濃度は上昇する（「水分富化処理」という）。つまり、水分吸収用吸着剤６は、水分吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、連続して水分の吸着・放出を遂行する。
【００４５】
同様に、第１の空気供給流路９から供給された、脱窒素処理つまり酸素富化処理された空気は、第３の円筒型容器４に流入し、水分吸収用吸着剤７と接触する。水分吸収用吸着剤７は、第２の空気供給流路１０から供給された空気と接触して、この空気に含まれる水分を吸着しているが、第１の空気供給流路９から供給された空気は、第２の円筒型容器３に充填された水分吸収用吸着剤６によって既に水分が除去された乾燥状態の空気であるので、水分吸収用吸着剤７に吸着した水分は、第１の空気供給流路９から供給された空気に放出される。つまり、水分吸収用吸着剤７も、水分吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、連続して水分の吸着・放出を遂行する。
【００４６】
第１の円筒型容器２、第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４の回転数は、各吸着剤の吸着量が飽和吸着量に達しないうちに１８０度回転（半回転）するように、各吸着剤の吸着能力に応じて設定すればよい。
【００４７】
このように、本発明に係る酸素富化空気製造装置１によれば、窒素吸収用吸着剤５を挟んでその両側に水分吸収用吸着剤６及び水分吸収用吸着剤７を配置し、これらの吸着剤に対して各々反対側の方向から空気を供給するので、窒素吸収用吸着剤５は水分の影響を受けることなく、供給される空気から窒素を吸収するとともに吸収した窒素を反対側から供給される空気に放出し、また、水分吸収用吸着剤６及び水分吸収用吸着剤７は水分の吸着及び放出を交互に繰り返して行い、それにより、窒素吸収用吸着剤５、水分吸収用吸着剤６及び水分吸収用吸着剤７の吸着量は飽和状態のままで留まることはなく、長期間にわたって連続的に酸素富化空気を製造することが可能となる。
【００４８】
尚、本発明に係る酸素富化空気製造装置１は、上記説明の範囲に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記説明では窒素吸収用吸着剤５、水分吸収用吸着剤６及び水分吸収用吸着剤７がそれぞれ分離した円筒型容器に充填されているが、円筒型容器を１つとし、その１つの円筒型容器の内部に、水分吸収用吸着剤６、窒素吸収用吸着剤５、水分吸収用吸着剤７の順に配置してもよい。また、円筒型容器を管体１３の内部に配置するとともに、空気の流路を管体１３の内部に配置しているが、円筒型容器のみを管体１３の内部に配置し、空気の流路は独立した配管としてもよい。更に、管体１３を省略し、水分吸収用吸着剤６、窒素吸収用吸着剤５、水分吸収用吸着剤７が配置された円筒型容器に、空気の流路を直接取り付けるようにしてもよい。また更に、酸素富化処理する空気と窒素富化処理する空気とを上記説明とは反対の方向から酸素富化空気製造装置１に供給してもよい。更にまた、第１の円筒型容器２や第２の円筒型容器３などの構造は上記に限るものではなく、格子状の仕切板を配置するなどしても構わない。
【００４９】
次に、本発明に係る酸素富化空気製造装置１で製造した酸素富化空気を、高炉側壁の羽口から高炉内に吹き込まれる酸素富化空気として利用する方法、加熱炉または熱風炉で燃焼用ガスとして使用される酸素富化空気として利用する方法、並びに、高純度の純酸素を製造するための原料となる酸素富化空気として利用する方法について、説明する。
【００５０】
図６は、本発明により製造した酸素富化空気を高炉へ供給する工程図、図７は、本発明により製造した酸素富化空気を加熱炉へ供給する工程図、図８は、本発明により製造した酸素富化空気を純酸素製造装置へ供給する工程図である。図６〜８において、符号１は酸素富化空気製造装置、１５は送風機、１６は送風機、１７は高炉送風機、１８は高炉、１９は送風機、２０は加熱炉、２１は圧縮機、２２は深冷分離装置、２３は圧縮機である。
【００５１】
図６、図７、図８に示すように、本発明においては、送風機１６を用いて酸素富化空気製造装置１（具体的には前述した第１の空気供給流路）に空気を供給し、供給した空気中の窒素を、酸素富化空気製造装置１に配置した窒素吸収用吸着剤により除去して酸素富化空気を製造する。酸素富化空気製造装置１の窒素吸収用吸着剤に吸着した窒素は、送風機１５により、送風機１６によって供給される空気とは反対側の方向から酸素富化空気製造装置１に供給される空気に放出され、窒素吸収用吸着剤における窒素の蓄積が防止される。得られた酸素富化空気を、高炉１８、加熱炉２０、深冷分離装置２２に供給し、高炉１８及び加熱炉２０では燃焼用ガスとして使用し、深冷分離装置２２では純酸素を製造する際の原料として使用する。
【００５２】
即ち、図６において、酸素富化空気製造装置１によって製造した、例えば酸素を３０〜５０％含有する酸素富化空気を、空気（酸素濃度２１％）と混合して酸素濃度が２４％程度の混合ガスとし、この混合ガスを酸素富化空気として高炉送風機１７を用いて高炉１８に送風することで、従来の純酸素から酸素富化空気を製造する場合に比べて大幅に少ない消費電力で、高炉操業を実施することが可能となる。当然ながら、酸素富化空気製造装置１によって製造した酸素富化空気を、希釈せずに、高炉送風機１７を用いて高炉１８に送風することもできる。
【００５３】
同様に、図７において、酸素富化空気製造装置１によって製造した、例えば酸素を２５〜３５％含有する酸素富化空気を、送風機１９を用いて加熱炉２０に燃焼用ガスとして供給することで、燃焼排ガスの顕熱が大幅に削減され、加熱炉２０における燃料原単位を大幅に低減することが可能となる。
【００５４】
また、図８において、酸素富化空気製造装置１によって製造した、例えば酸素を３０〜４０％含有する酸素富化空気を、圧縮機２１、深冷分離装置２２、圧縮機２３の順に処理して酸素濃度が９９．６％程度の純酸素を製造することで、空気を原料として深冷分離装置２２を用いて純酸素を製造する従来の場合に比べて、少ない全消費電力量で純酸素を製造することが可能となる。
【実施例１】
【００５５】
図１に示す酸素富化空気製造装置を用いて、高炉の羽口から吹き込む酸素富化空気を製造した。ここでは、酸素富化空気製造装置に供給する空気の圧力を変えて酸素富化空気を製造した。図９にそのフロー図を示す。図９において、符号１は酸素富化空気製造装置、１５は送風機、１７は高炉送風機、１８は高炉である。
【００５６】
図９に示すように、酸素富化空気製造装置へ供給した空気は酸素富化処理され、酸素富化空気製造装置の出口では３５％の酸素濃度の酸素富化空気が得られた。一方、窒素富化処理された空気の酸素濃度は１１．３％まで低下した。
【００５７】
得られた酸素濃度が３５％の酸素富化空気を通常の空気で希釈して酸素濃度が２３．５％の酸素富化空気とし、これを４７０００Ｎｍ3／ｈの流量で高炉に吹き込んだ。この場合に必要とする動力は約５３．０ＭＷであった。
【００５８】
比較のために、従来の、深冷分離装置を用いて酸素富化空気を製造する操業も実施した。図１０に、深冷分離装置を用いて製造した酸素富化空気を高炉羽口に吹き込むときのフロー図を示す。図１０において、符号１７は高炉送風機、１８は高炉、２２は深冷分離装置、２４は送風機、２５は送風機である。
【００５９】
図１０に示すように、深冷分離装置によりほぼ酸素濃度が１００％の純酸素を製造し、これを通常の空気で希釈して酸素濃度が２３．５％の酸素富化空気とし、これを４７０００Ｎｍ3／ｈの流量で高炉に吹き込んだ。この場合に必要とする動力は約５９．５ＭＷであった。
【００６０】
このように、本発明を高炉の酸素富化空気の製造に適用することで、約１０％の動力の削減効果が確認できた。
【実施例２】
【００６１】
図６に示す工程に沿って、酸素富化空気製造装置で製造した酸素富化空気を高炉に供給した。具体的には、５３２２百万Ｎｍ3／年の空気を酸素富化空気製造装置に供給して、酸素濃度が３０％の酸素富化空気を３３７１百万Ｎｍ3／年の割合で製造し、この酸素富化空気を８４２６百万Ｎｍ3／年の空気で希釈・混合して、酸素濃度が２３．５％の酸素富化空気を１１７９７百万Ｎｍ3／年の割合で高炉に供給した。また、酸素富化空気製造装置には、窒素吸収用吸着剤の脱窒素用の空気として５３２２百万Ｎｍ3／年の空気を供給し、酸素濃度が１５．３％の窒素富化空気（低酸素空気）を７２７３百万Ｎｍ3／年の割合で排出した。この場合、酸素富化空気製造装置で費やした電力は０．７億ｋＷｈ／年、高炉送風に費やした電力は９．１億ｋＷｈ／年で、合計９．８億ｋＷｈ／年であった。また、酸素富化空気製造装置は、何ら問題を生ずることなく、１年間連続的に酸素富化空気を製造した。
【００６２】
従来の深冷分離法を用いて上記と同一組成及び同一流量の酸素富化空気を高炉に送風した場合の電力使用量は、深冷分離装置で１．８億ｋＷｈ／年、酸素圧送で０．８億ｋＷｈ／年、高炉送風で８．８億ｋＷｈ／年で、合計１１．４億ｋＷｈ／年であり、本発明によって製造した酸素富化空気を使用することで、１．６億ｋＷｈ／年の電力使用量を削減することができた。
【００６３】
また、酸素富化空気製造装置で製造する酸素富化空気の酸素濃度を変化させて、そのときの電力削減量を求めた。求めた電力削減量をＣＯ2の地中貯留に使用した場合を想定して、ＣＯ2削減量で評価した。図１１に、求めたＣＯ2削減量と酸素富化空気の酸素濃度との関係を示す。
【００６４】
図１１に示すように、酸素富化空気の酸素濃度が高くなるとともにＣＯ2削減量は増加するが、酸素富化空気の酸素濃度が３５％を超えると、ＣＯ2削減量が頭打ちとなり、一方、酸素富化空気の酸素濃度を高くするには、酸素富化空気製造装置を大型化するなどにより設備費が高くなり、従って、酸素富化空気製造装置で製造する酸素富化空気の酸素濃度は３０〜３５％が好ましいことが分かった。
【実施例３】
【００６５】
図７に示す工程に沿って、酸素富化空気製造装置で製造した、酸素濃度が２５％の酸素富化空気を、製鉄所に備えられた熱風炉、熱間圧延工程の加熱炉、連続焼鈍炉などに供給した。その結果、排ガスの顕熱が大幅に低減し、従来、合計で６２４９００Ｎｍ3／ｈ使用していた燃料を、およそ８１００Ｎｍ3／ｈ（比率にして約１．３％）削減することができた。
【００６６】
また、酸素富化空気製造装置で製造する酸素富化空気の酸素濃度を変化させて、そのときのエネルギー削減量を求めた。求めたエネルギー削減量を電力削減量に換算し、更に電力削減量をＣＯ2の地中貯留に使用した場合を想定して、ＣＯ2削減量で評価した。図１２に、求めたＣＯ2削減量と酸素富化空気の酸素濃度との関係を示す。
【００６７】
図１２に示すように、酸素富化空気の酸素濃度が高くなるとともにＣＯ2削減量は増加するが、酸素富化空気の酸素濃度が５０％を超えると、ＣＯ2削減量が頭打ちとなり、一方、酸素富化空気の酸素濃度を高くするには、酸素富化空気製造装置を大型化するなどにより設備費が高くなり、従って、酸素富化空気の酸素濃度は、３０〜４５％、より望ましくは３０〜３５％が好ましいことが分かった。
【実施例４】
【００６８】
図８に示す工程に沿って、酸素富化空気製造装置で製造した酸素富化空気を、純酸素製造用の原料として深冷分離装置に供給し、酸素濃度が９９．６％、圧力が５００ｋＰａの純酸素を製造した。その際に、酸素富化空気製造装置で製造する酸素富化空気の酸素濃度を２５％、３０％、３５％、４０％の４水準に変更し、それぞれの場合の酸素富化空気製造装置で費やす電力、及び、深冷分離装置で費やす電力を調査した。比較のために、従来の空気を原料とした場合の電力も調査した。純酸素の製造量を２０７７百万Ｎｍ3／年としたときの調査結果を表１に示す。表１のＣＯ2削減量の欄は、電力削減量をＣＯ2の地中貯留に使用した場合を想定して、ＣＯ2削減量として評価したものである。
【００６９】
【表１】
2008207172.tif 000003
【００７０】
表１に示すように、酸素富化空気の酸素濃度が高くなるほど深冷分離装置で費やす電力は少なくなるが、酸素富化空気製造装置でも所定量の電力が必要であり、その結果、酸素濃度が２５％の酸素富化空気を原料とした場合には、空気を原料とした場合よりも却って使用電力が増加した。しかしながら、酸素濃度が３０％以上の酸素富化空気を原料とした場合には、トータルの電力使用量は従来の空気を原料とした場合に比べて改善することが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る酸素富化空気製造装置の概略斜視図である。
【図２】本発明に係る酸素富化空気製造装置の一部分を構成する第１の円筒型容器及び第２の円筒型容器の概略斜視図である。
【図３】本発明に係る酸素富化空気製造装置の第１の円筒型容器の他の例を示す概略図である。
【図４】ゼオライトの窒素吸着量と圧力との関係を定性的に示す図である。
【図５】ゼオライトの窒素吸着量と圧力及び温度との関係を定性的に示す図である。
【図６】本発明に係る酸素富化空気製造装置により製造した酸素富化空気を高炉へ供給する工程図である。
【図７】本発明に係る酸素富化空気製造装置により製造した酸素富化空気を加熱炉へ供給する工程図である。
【図８】本発明に係る酸素富化空気製造装置により製造した酸素富化空気を純酸素製造装置へ供給する工程図である。
【図９】本発明の酸素富化空気製造装置を用いて製造した酸素富化空気を高炉羽口から吹き込むときのフロー図である。
【図１０】従来の深冷分離装置を用いて製造した酸素富化空気を高炉羽口から吹き込むときのフロー図である。
【図１１】実施例２におけるＣＯ2削減量と酸素富化空気の酸素濃度との関係を示す図である。
【図１２】実施例３におけるＣＯ2削減量と酸素富化空気の酸素濃度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  酸素富化空気製造装置
２  第１の円筒型容器
２ａ  軸心
３  第２の円筒型容器
４  第３の円筒型容器
５  窒素吸収用吸着剤
６  水分吸収用吸着剤
７  水分吸収用吸着剤
８  仕切板
９  第１の空気供給流路
１０  第２の空気供給流路
１１  第１の空気排出流路
１２  第２の空気排出流路
１３  管体
１４  分離板
１５  送風機
１６  送風機
１７  高炉送風機
１８  高炉
１９  送風機
２０  加熱炉
２１  圧縮機
２２  深冷分離装置
２３  圧縮機
２４  送風機
２５  送風機
２６  ハニカム構造体
【図１】
2008207172.tif 000004
【図２】
2008207172.tif 000005
【図３】
2008207172.tif 000006
【図４】
2008207172.tif 000007
【図５】
2008207172.tif 000008
【図６】
2008207172.tif 000009
【図７】
2008207172.tif 000010
【図８】
2008207172.tif 000011
【図９】
2008207172.tif 000012
【図１０】
2008207172.tif 000013
【図１１】
2008207172.tif 000014
【図１２】
2008207172.tif 000015