(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流体の加熱に、燃焼機器からの燃焼排ガスの排熱を利用するようにして、消費エネルギーの低減を図った熱脱着式酸素濃縮装置を提供する。【解決手段】  熱脱着式の酸素濃縮装置であって、吸着塔６ａ，６ｂ，６ｃで酸素を選択吸着する吸着剤からの酸素脱着に使用する流体を、加熱器９にて焼排ガスの排熱を利用して加熱する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】
熱脱着式の酸素濃縮装置であって、酸素を選択吸着する吸着剤からの酸素脱着に、燃焼排ガスの排熱を利用するように構成されていることを特徴とする熱脱着式酸素濃縮装置。
【請求項２】
脱着された濃縮酸素は、高い温度を付与されて取り出されるように構成されている請求項１に記載の熱脱着式酸素濃縮装置。
【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して濃縮された酸素を得る装置であって、消費エネルギーを低減することができる熱脱着式酸素濃縮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にては、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する熱スイング吸着法によるものも知られており、その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】
【特許文献１】特開２００３−１７５３１１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、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、吸着塔のスケールの増大などイニシャルコストの増大を招いている。
【０００６】
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にパージする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。
【０００７】
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流体の加熱に、燃焼機器からの燃焼排ガスの排熱を利用するようにして、消費エネルギーの低減を図った熱脱着式酸素濃縮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】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明による熱脱着式酸素濃縮装置は、
熱脱着式の酸素濃縮装置であって、酸素を選択吸着する吸着剤からの酸素脱着に、燃焼排ガスの排熱を利用する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）。
【０００９】
前記発明において、脱着された濃縮酸素は、高い温度を付与されて取り出されるように構成されているのがよい（第２発明）。
【発明の効果】
【００１０】
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、吸着床に送り込む昇温流体の加熱に際し、例えば燃焼炉（焼却炉など）の燃焼排ガスを利用して熱交換する加熱器を用いることにより、加熱に要する動力を著しく低減でき、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、酸素を選択的に吸着する吸着剤を用いることで、窒素吸着剤を用いていた圧力スイング式の酸素発生装置と比較して、吸着剤量を減らすことができるという利点がある。
【００１１】
前記第２発明によれば、吸着床での脱着操作に際して、濃縮酸素に顕熱が与えられているため、得られた濃縮酸素はそのまま酸素富化燃焼や高酸素燃焼の酸化剤に用いる場合、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】
【００１２】
次に、本発明による熱脱着式酸素濃縮装置について、その一実施形態の図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
図１には本発明にかかる熱脱着式酸素濃縮装置の一実施形態の概要図が示されている。
【００１４】
本実施形態の熱脱着式酸素濃縮装置は、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、昇温パージのための加熱器９と濃縮酸素を受け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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
また、前記加熱器９は、チューブ式熱交換器が採用され、熱媒として燃焼炉（例えば焼却炉）の燃焼排ガスを用いてパージ用の気体の加熱が行えるように構成されている。
【００１８】
この熱脱着式酸素濃縮装置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。
【００１９】
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、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。定常状態においては、加熱器９において燃焼排ガスと脱着した酸素の一部とを熱交換して、加熱されたその酸素を吸着塔６ａ上部のバルブ８ａを開いて吸着完了しているその吸着塔６ａ内に送り込み、昇温パージ行程に入る。なお、起動時には、酸素ボンベなどからバルブ１４を介して加熱器９に送り、加熱して吸着塔６ａに導入させる。このとき、バッファタンク１０に残留している高濃度酸素を利用してもよい。
【００２２】
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、吸着塔６ａ下部に配されたバルブ３ａを開放し、管路１６中に設けられる逆止弁１７を経由して管路１２で系外に放出させる。こうして、残留空気の押し出し操作が終了すると、バルブ３ａを閉じ、酸素取り出し管路のバルブ５ａを開いてオイルレスポンプによって脱着された酸素をバッファタンク１０に導入させる。このとき、パージ用ガスの管路１５中に設けられるバルブ２０を調節して、一部昇温パージ用として得られた酸素の一部を加熱器９に送り込ませるようにする。なお、図中符号１９はバッファタンク１０への濃縮酸素送出管路を開閉するバルブ、２１はバッファタンク１０から一部を取り出して昇温パージ用に供給する管路の開閉バルブである。
【００２３】
こうして得られる濃縮酸素は、加熱器９において昇温された昇温パージ用ガスにより脱着時に顕熱を与えられて、６０〜１２０℃程度の温度となって取り出されバッファタンク１０に収容される。
【００２４】
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、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、冷却再生行程初期にはバルブ７ａを開放し、かつバルブ５ａを開放して第３の吸着塔６ｃを通過した空気もしくは窒素を導入して残留酸素を押し出し始める。この押し出し操作が終わるとバルブ５ａを閉じ、バルブ４ａを開いて乾燥空気を導入し、吸着床を冷却再生させる。
【００２５】
これに並行して昇温パージ行程の第２の吸着塔６ｂでは、バルブ４ｂおよび７ｂを閉じ、バルブ８ｂおよびバルブ３ｂ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３ｂ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。
【００２６】
【表１】
2005103335.tif 000003
【００２７】
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。
【００２８】
また、得られる濃縮酸素は、前述のように濃縮酸素の一部を利用して燃焼排ガスによる加熱によって昇温パージさせるようにすることで、脱着された酸素に顕熱が与えられ、高い温度の濃縮酸素として取り出されるから、この酸素濃縮装置を燃焼炉に併設して、得られる酸素を燃焼酸化剤に使用するようにすれば、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を別途電力を使用することなく運転することができ、この酸素濃縮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。
【００２９】
また、本発明の熱脱着式酸素濃縮装置によれば、コンプレッサーや真空ポンプなどの機器を要しないので、初期設備費はもちろん、運転コストを低減することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明にかかる熱脱着式酸素濃縮装置の一実施形態の概要図
【符号の説明】
【００３１】
１    ブロアー
２    吸湿ベッド
６ａ，６ｂ，６ｃ    吸着塔
９    加熱器
１０  バッファタンク
【図１】
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