(57)【要約】【課題】  空気から選択吸着した酸素を吸着剤から脱着する昇温パージガスに、燃焼機器からの燃焼排ガスを用いて熱的脱着をさせ、同時に燃焼排ガスと脱着した酸素との混合気体を得る。【解決手段】  燃焼排ガスの排熱を利用した熱脱着式燃焼酸化剤製造装置であって、吸着塔６ａ，６ｂ，６ｃにおける酸素脱着過程に、燃焼機器の燃焼排ガスをパージガスとして用いるようにし、酸素と燃焼排ガスとを混合させて燃焼酸化剤として取出すように構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼排ガスの排熱を利用した熱脱着式燃焼酸化剤製造装置であって、吸着塔における酸素脱着過程に、燃焼機器の燃焼排ガスをパージガスとして用いるようにし、酸素と燃焼排ガスとを混合させて燃焼酸化剤として取出すように構成されていることを特徴とする熱脱着式燃焼酸化剤製造装置。
【請求項２】
前記燃焼機器からの燃焼排ガスは、除湿手段を通しパージガスとして吸着塔に供給される構成である請求項１に記載の熱脱着式燃焼酸化剤製造装置。
【請求項３】
前記燃焼機器から吸着塔への燃焼排ガス管路中には、流量制御弁を配置されている請求項１または２に記載の熱脱着式燃焼酸化剤製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸着剤を用いて空気から酸素を吸着分離濃縮し、酸素を脱着するに際して、燃焼機器から排出する燃焼排ガスでパージすることで燃焼排ガスと濃縮酸素との混合ガスを得る熱脱着式燃焼酸化剤製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、化石燃料を燃料とするボイラや焼却炉などにおける燃焼装置では、通常酸化剤として空気を使用している。また、燃焼酸化剤としては、排ガス量の低減や熱回収効率の向上を目的として酸素富化膜により酸素濃度を上げたり、燃焼排ガスと酸素を混合して酸素濃度を上げたり、もしくは純酸素を用いることもある。
【０００３】
前記酸素の製造方法としては、通常、圧力スイング吸着式（ＰＳＡ）酸素製造装置が用いられている。また、空気を低温にして所要のガスを分離し、パージガスにより吸着剤から吸着分離した成分のガスを脱着させ、所要の成分ガスを得る熱スイング吸着法によるものも知られており、そのプロセスにおける操作サイクルに要する時間や吸着剤から分離されたガスの脱着に要する熱エネルギー消費の改善など、問題点を解決しようとする技術について開示されているものがある（例えば特許文献１）。
【０００４】
また、廃棄物焼却炉では、一般に、燃焼に空気を燃焼酸化剤として用いられているので、燃焼に伴いＮＯｘその他の有害物質の発生に関して種々の対策が要求される。そのために、ＮＯｘの発生を抑えることから低窒素酸化物化とエネルギーの有効利用の観点から燃焼排ガスの一部を循環して、空気と混ぜて酸化剤として利用する再循環燃焼法や燃焼酸化剤の酸素濃度を酸素富化膜などで高めて主要な酸化剤として使用することが行われている。しかしながら、前述のような燃焼手段によると燃焼室内での燃焼状態の調整困難や炉内温度の上昇に伴う排ガス処理の困難性あるいは排ガス処理設備の大型化などの問題点がある。これらの問題を解決する手段として、排ガスの一部に酸素を混合して燃焼酸化剤として使用することにより、排ガス処理を有利にして排ガス処理設備の小型化を図り、かつ炉内温度制御を容易にして燃焼効率を向上させる技術が、特許文献２によって開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１７５３１１号公報
【特許文献２】特開平１１−１５９７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、焼却炉において燃焼酸化剤の一部に酸素を使用する場合、その酸素の供給源とするのに、前記圧力スイング吸着式の酸素製造装置では、吸着剤再生もしくは吸着過程において、コンプレッサーや真空ポンプを用いており、単位発生酸素容積あたりの消費エネルギーが高くなり、ランニングコストおよび省エネルギーの観点から受容性が低い。また、この圧力スイング吸着式の酸素製造装置においては、空気中の７９％を占める窒素を選択的に吸着して、酸素と分離する吸着剤を選択しており、吸着剤の量が大量に必要となっており、吸着塔の容積が増大するなどイニシャルコストの増大を招くことになる。
【０００７】
また、熱スイング吸着法による場合、前記特許文献１において見られるように、加熱脱着させるためのパージガスを別途熱源を用いて加熱しており、その他一般的な熱スイング吸着法でも、電気ヒータを用いて加熱しており、そのために、どうしても加熱に要する熱エネルギー（消費電力）の増大を招き、ランニングコストが嵩むという問題点がある。
【０００８】
また、前記特許文献２によって開示されている技術においては、燃焼に用いる燃焼酸化剤として排ガスと酸素の混合気体を使用するのであるが、併設される酸素製造装置において製造された酸素を、焼却炉での燃焼排ガスの一部と混合器によって混合して焼却炉に供給する方式である。したがって、このような燃焼酸化剤を使用する場合、焼却炉に付随して混合器を必要とする。当然、満遍なく混合された燃焼酸化剤を得るため精度の高い混合器が要求され、その分設備コストが嵩むことになる。一方、酸素製造装置では、前述のように、ランニングコストの嵩む問題点を有しているので、排ガス処理は有効であっても、燃焼酸化剤として排ガスに加える酸素を生成する工程でのコストが増大するので、未だ解決すべき問題点がある。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、空気から選択吸着した酸素を吸着剤から脱着する昇温パージガスに、燃焼機器からの燃焼排ガスを用いて熱的脱着をさせ、同時に燃焼排ガスと脱着した酸素との混合気体を得る熱脱着式燃焼酸化剤製造装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明による熱脱着式燃焼酸化剤製造装置は、
燃焼排ガスの排熱を利用した熱脱着式燃焼酸化剤製造装置であって、吸着塔における酸素脱着過程に、燃焼機器の燃焼排ガスをパージガスとして用いるようにし、酸素と燃焼排ガスとを混合させて燃焼酸化剤として取出すように構成されていることを特徴とするものである（第1発明）。
【００１１】
前記発明において、燃焼機器からの燃焼排ガスは、除湿手段を通してパージガスとして吸着塔に供給される構成であるのがよい（第２発明）。
【００１２】
前記第１発明または第２発明において、燃焼機器から吸着塔への燃焼排ガス管路中には、流量制御弁を配置されているのが好ましい（第３発明）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、吸着剤からの酸素脱着のための昇温パージ行程で用いられるパージガスに、燃焼機器、例えば燃焼炉（焼却炉など）の燃焼排ガスを用いることにより、加熱に要する動力を低減でき、ランニングコストを抑えることができるという効果を奏する。また、熱交換器を経由しないでダイレクトに燃焼排熱が利用でき、高速加熱が可能になり、酸素製造のサイクルスピードを上げることができる。さらに、得られた燃焼酸化剤は、窒素分が少なく、かつ温度が高いので燃焼機器の効率向上が期待できる。
【００１４】
前記第２発明の構成を採用することにより、パージガスとして供給される燃焼排ガスを乾燥ガスとして吸着塔内に供給でき、脱着されて混合気体として送り出される燃焼酸化剤に水分を含有させないという利点がある。
【００１５】
また、前記第３発明の構成を採用することにより、得られる燃焼酸化剤の濃度は、パージガスとして供給する燃焼排ガスの流量をコントロールして変更することができ、酸素富化燃焼に利用することができ、燃焼効率の向上が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明による熱脱着式酸化剤製造装置について、その一実施形態の図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
図１には本発明にかかる熱脱着式酸化剤製造装置の一実施形態の概要図が示されている。
【００１８】
本実施形態の熱脱着式酸化剤製造装置２０は、ブロアー１によって送り込まれる空気から気中の水分を除去するための吸湿ベッド２と、複数基（実施形態では三基）の吸着塔６ａ，６ｂ，６ｃと、燃焼機器からの燃焼排ガス中の水分などを除去する燃焼排ガス除湿装置３（本発明の除湿手段に相当）および燃焼酸化剤としての混合ガスを受入れるバッファタンク１０およびそれらを接続する管路とで構成されている。
【００１９】
吸湿ベッド２は、常温の空気を導入して例えば冷却水を用いる熱交換手段によって冷却し、気中の水分を除去する構成のものであり、その出口から三基の吸着塔６ａ，６ｂ，６ｃの各下部入口６′に管路１１で接続されている。
【００２０】
三基の吸着塔６ａ，６ｂ，６ｃは、それぞれその内部に図示されない吸着床が形成され、下部から上部に向かって前記吸湿ベッド２で水分を除去された乾燥空気が通過する間に、充填された吸着剤によって酸素が選択吸着され、それ以外のガス成分（窒素など）が上部出口６″から系外に排出されるように構成されている。この吸着塔（６ａにて総称）内部の吸着床として充填される吸着剤は、酸素を選択的に吸着するものが採用される。その吸着剤としての吸着選択能は、酸素／窒素＝７程度以上のものが好ましい。この吸着剤は、粒状，ペレット状のものでもよく、ハニカムやフィン状の支持体上に均一分散した状態で収容される。吸着剤としては、例えば金属錯体系吸着剤、ゼオライトなどが採用される。
【００２１】
また、前記燃焼排ガス除湿装置３は、燃焼機器（例えば焼却炉）の燃焼排ガスを受入れて、そのガスが保有する水分を除去する装置であり、例えば吸着剤を用いて排ガス中の水分を吸着除去するように構成されている。なお、この燃焼排ガス除湿装置３への上流側には流量制御弁９が設けられ、受入れる燃焼排ガスの流量をコントロールできるようにされている。
【００２２】
この熱脱着式酸素濃縮装置２０における操作について説明する。まず、ブロアー１によって常温の空気を吸湿ベッド２に送り込み、この吸湿ベッド２において空気中に含まれている水分を除去する操作が行われる。ここでは、例えば冷却水を用いて熱交換して空気を冷却し、水分を除去する。水分を除去された乾燥空気は、管路１１中のバルブ４ａを開いてまず第１の吸着塔６ａの内下部に導かれる。
【００２３】
吸着行程において、難吸着成分である窒素は、吸着塔上部出口６″のバルブ７ａおよび排出管路１２中のバルブ１３を開いて系外へ放出させる。第１の吸着塔６ａ内では、塔内を下方から上方へと導入された空気が上昇する間に、吸着床の吸着剤が酸素を吸着して、その吸着剤が酸素吸着飽和に達し、吸着塔出口６″において酸素濃度が上昇する直前に上部のバルブ４ａおよび７ａを閉じる。
【００２４】
次いで、第２の吸着塔６ｂ下部入口６′側で管路１１のバルブ４ｂを開き、この第２の吸着塔６ｂに乾燥空気を導入させる。こうして、第２の吸着塔６ｂで酸素吸着分離行程が開始されると、出口６″側のバルブ７ｂを開いて窒素など難吸着成分ガスを管路１２を通じて系外に放出させる。
【００２５】
こうして、第２の吸着塔６ｂによる吸着分離行程が開始されると、前記第１の吸着塔６ａにおいては、昇温行程に移行する。一方、燃焼機器から燃焼排ガスを受入れてパージガスとして供給する管路１４に設けられる燃焼排ガス除湿装置３では、燃焼排ガス中の水分が除去されて乾燥燃焼排ガスとなり、その供給管路１４のバルブ８ａを開いて吸着完了している吸着塔６ａ上部から内部に送り込み、昇温パージ行程に入る。このとき、空気供給側の管路１１におけるバルブ４ａおよび難吸着成分排出側のバルブ７ａを閉じ、取出し管路１５のバルブ５ａを開放する。こうすると、パージガスとして吸着塔６ａ内に送り込まれた燃焼排ガスの熱により吸着剤に吸着されていた酸素が脱着し、同時にその濃縮された酸素（以下、単に酸素という）と燃焼排ガスとが混合される。このときの燃焼排ガスの温度は１５０〜２００℃程度である。
【００２６】
昇温パージ行程の初期段階では、吸着塔６ａに残留空気が存在しているので、パージ開始から残留空気が押し出される間、混合ガス（酸素と燃焼排ガスの混合ガス）取出し管路１５に設けられるオイルレスポンプ１６によって排気管のバルブ１７を開いて系外に残留空気を放出する。残留空気の押し出し操作が終了すると、バルブ１７を閉じてバルブ１８を開き、脱着された酸素と燃焼排ガスとの混合ガスをバッファタンク１０に導入させる。こうして得られる燃焼酸化剤は、顕熱が与えられており、１２０〜１８０℃程度の温度になっている。
【００２７】
第１の吸着塔６ａの昇温パージ行程が終了した後は、冷却再生行程に移行し、前記要領で第２の吸着塔６ｂは昇温パージ行程に移行して、第３の吸着塔６ｃにおいては吸着行程に入る。第１の吸着塔６ａでの冷却再生行程では、昇温パージに使われた濃縮酸素が残留しているため、冷却再生行程の第１の吸着塔６ａでは、取出し管路１５のバルブ５ａおよび管路１４のバルブ８ａを閉じ、管路１１のバルブ４ａ，排出管路１２のバルブ７ａを開放する。このとき、吸着行程に必要な空気流量より冷却再生行程では過剰に空気が必要である。そのため、バルブ４ａとバルブ４ｃは開度を調整して空気を供給することが好ましい。こうして供給される乾燥空気により吸着塔６ａは冷却再生される。
【００２８】
これに並行して昇温パージ行程の第２の吸着塔６ｂでは、排出管路１２のバルブ７ｂを閉じ、管路１４のバルブ８ｂおよび管路１５のバルブ５ｂを開放して塔内の残留空気の押し出しを開始する。この残留空気の押し出しが終了すると、バルブ４ｂを閉じてバルブ５ｂを開いて前記要領で昇温パージ行程に移行する。以後、この操作を第１〜第３の各吸着塔６ａ，６ｂ，６ｃで順次繰り返し、連続的に酸素濃縮を行わせるのである。なお、前記三基の吸着塔による操作行程のタイムテーブルを表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
このように本実施形態では、三基の吸着塔を用いて順番に脱着操作を行うように構成されているので、吸着塔内の吸着床においては、塔下部から上部に向かって空気が流動する間に酸素の吸着操作がなされるので、時間の経過とともに吸着破過帯が下層部から上層部へ進行し、上層部が吸着飽和状態に至るまでに順次操作を切り替えて効率よく脱着を行わせることができる。なお、前記各バルブの開閉操作を自動的に行わせるように構成することで連続運転を円滑に実施することができる。
【００３１】
また、得られる燃焼酸化剤の濃度は、前述のように脱着される酸素とパージガスとして送り込まれる燃焼排ガスとの混合体であるので、流量制御弁により燃焼排ガスの供給流量をコントロールすることにより変更することができる。したがって、燃焼機器へ供給する際の条件に応じて燃焼酸化剤の濃度を所望の条件に対応させることができる。また、この燃焼酸化剤は、顕熱が与えられて高い温度の混合ガスとして取出されるから、この燃焼酸化剤製造装置を燃焼炉に併設すれば、熱効率の高い燃焼設備とすることができる。その結果、昇温パージに使用される熱源に別途電力を使用することなく運転することができて、装置のランニングコストを著しく低減でき、燃焼設備としても燃焼効率の向上による経済効果を高めることができるという相乗的効果が得られる。
【００３２】
以上の説明による実施形態にては説明されていないが、燃焼排ガスの受入れ系統に、煤塵などの除去手段を設けておけば、得られる燃焼酸化剤における含有を排除でき、また、その生成系統での設備機器において煤塵などの堆積による影響を排除してメンテナンスを容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明にかかる熱脱着式酸化剤製造装置の一実施形態の概要図
【符号の説明】
【００３４】
１    ブロアー
２    吸湿ベッド
３    燃焼排ガス除湿装置
６ａ，６ｂ，６ｃ    吸着塔
９    燃焼排ガスの流量制御弁
１０  バッファタンク
２０  熱脱着式燃焼酸化剤製造装置
【図１】
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