(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスを分離するための方法であって、
吸着容量が二酸化炭素≫一酸化炭素＞窒素＞水素の関係にある第１の吸着剤が充填された第１の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第１の吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を上記第１の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第１の非吸着ガスを導出する第１の吸着工程、および上記第１の吸着剤から二酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出する第１の脱着工程を含むサイクルを繰り返し行う第１の圧力変動吸着式ガス分離工程と、
吸着容量が一酸化炭素≫二酸化炭素＞窒素＞水素の関係にある第２の吸着剤が充填された第２の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第２の吸着塔に上記第１の非吸着ガスを導入して当該第１の非吸着ガス中の一酸化炭素を上記第２の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第２の非吸着ガスを導出する第２の吸着工程、および上記第２の吸着剤から一酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出する第２の脱着工程を含むサイクルを繰り返し行う第２の圧力変動吸着式ガス分離工程と、を含み、
上記第１の吸着工程では、当該工程の開始時から所定の時点までに導出される第１の非吸着ガスを上記第２の吸着塔に導入することなく水素回収配管を介して回収し、所定の時点以後に導出される第１の非吸着ガスを非吸着ガス送出配管を介して上記第２の吸着塔に導入するようにした、高炉ガスの分離方法。
【請求項２】
上記第１の吸着剤は、活性炭である、請求項１に記載の高炉ガスの分離方法。
【請求項３】
上記第２の吸着剤は、塩化銅を添着した活性炭である、請求項１または２に記載の高炉ガスの分離方法。
【請求項４】
二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスを分離するためのシステムであって、
吸着容量が二酸化炭素≫一酸化炭素＞窒素＞水素の関係にある第１の吸着剤が充填された第１の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第１の吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を上記第１の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第１の非吸着ガスを導出し、かつ、上記第１の吸着剤から二酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出するための第１の圧力変動吸着式ガス分離装置と、
吸着容量が一酸化炭素≫二酸化炭素＞窒素＞水素の関係にある第２の吸着剤が充填された第２の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第２の吸着塔に上記第１の非吸着ガスを導入して当該第１の非吸着ガス中の一酸化炭素を上記第２の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第２の非吸着ガスを導出し、かつ、上記第２の吸着剤から一酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出するための第２の圧力変動吸着式ガス分離装置と、
上記第１の圧力変動吸着式ガス分離装置にて行われる吸着工程において、その開始時から所定の時点までに導出される第１の非吸着ガスを上記第２の吸着塔に導入することなく回収するための水素回収配管と、
上記第１の圧力変動吸着式ガス分離装置にて行われる吸着工程において、上記所定の時点以後に導出される第１の非吸着ガスを上記第２の吸着塔に導入するための非吸着ガス送出配管と、
第１の非吸着ガスを上記水素回収配管に通流させる状態及び上記非吸着ガス送出配管に通流させる状態を選択的に切換えるための機構と、を備える、高炉ガスの分離システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力変動吸着式ガス分離法（ＰＳＡ法）を利用して、二酸化炭素、窒素、一酸化炭素、および水素を主として含む高炉ガスから二酸化炭素を効率的に分離するとともに、残余の可燃成分を分離回収するのに適した方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の主な原因の一つとして、化石燃料の消費に伴う大気中への二酸化炭素の排出が挙げられている。そのため、燃料消費量の削減を通じて大気中への二酸化炭素の排出量の削減を目的として、各産業分野において様々な方法が実施または検討されている。
【０００３】
鉄鋼業においては、高炉で鉄の還元に用いられた後に炉頂から発生する可燃性ガス（高炉ガス）は、全量回収されて脱湿処理が施されたうえで製鉄所内の加熱設備で燃料として使用されている。高炉ガスは、主に二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素の４種類の成分ガスを含むガスであり、高炉ガスにおける各種ガスの濃度は、例えば、二酸化炭素が１９〜２４％、窒素が５２〜６０％、水素が２〜６％、一酸化炭素が２１〜２７％である。高炉ガスは、可燃性の水素、一酸化炭素の他に不燃性の二酸化炭素および窒素を多量に含んでいるので、単独で燃料として使用しても発熱量が低い。このため、現状では、一般に、高炉ガスを他の補助燃料と混合し、発熱量を高めたうえで使用されている。これに対し、高炉ガスから二酸化炭素および窒素を選択的に分離することができれば、残余のガスについては可燃成分の濃度を高めることができ、大幅な発熱量の増加が見込まれる。この場合、補助燃料の削減または廃止が可能となり、結果的に、補助燃料に由来する二酸化炭素排出量の削減が可能となる。さらに、高炉ガスから二酸化炭素と窒素とをそれぞれ選択的に分離することができれば、例えば、現在検討がなされている二酸化炭素を地中あるいは海中に隔離して貯留する技術が将来的に実用化される際には、分離回収した二酸化炭素を、当該技術を用いて埋設処理することにより、重ねて二酸化炭素の排出量の削減に貢献できることになる。
【０００４】
しかしながら、高炉ガスから不燃成分を分離する方法は、現状では実用化されていない。これは、不燃成分である二酸化炭素および窒素をそれぞれ選択的に分離して、可燃性ガスを大量にかつ比較的安価に濃縮・分離する技術が確立していないからである。二酸化炭素の分離のみを目的とするならば、アミン類を用いた化学吸収法等が既に存在しており実用化段階にあると見られている（例えば、特許文献１を参照）。しかし、化学吸収法では不燃性ガス中で最大の比率を占める窒素が未除去のため、処理されたガスの大幅な発熱量の上昇は見込めない。窒素は反応性に乏しい不活性ガスであるので、化学的な処理方法で窒素を分離するのは基本的に困難であり、他の分離方法を検討する必要がある。
【０００５】
物理吸着を用いてガスを分離する手法としては、圧力変動吸着式ガス分離法（ＰＳＡ法）がある。このＰＳＡ法は、吸着剤に対する吸着容量がガス種によって異なることを利用して、目的ガスを濃縮・分離する技術である。しかし、従来用いられていたゼオライト、カーボン系の吸着剤では、窒素と一酸化炭素の吸着容量が互いに似通っていたため、効率的に窒素を分離することは困難であった。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−４７６３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、二酸化炭素、窒素、一酸化炭素、および水素を主として含む高炉ガスから、二酸化炭素を分離するとともに、残余のガスの可燃成分を濃縮・分離する方法および装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の側面によって提供される高炉ガスの分離方法は、二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスを分離するための方法であって、二酸化炭素を優先的に吸着するための第１の吸着剤が充填された第１の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第１の吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を上記第１の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第１の非吸着ガスを導出する第１の吸着工程、および上記第１の吸着剤から二酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出する第１の脱着工程を含むサイクルを繰り返し行う第１の圧力変動吸着式ガス分離工程と、一酸化炭素を優先的に吸着するための第２の吸着剤が充填された第２の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第２の吸着塔に上記第１の非吸着ガスを導入して当該第１の非吸着ガス中の一酸化炭素を上記第２の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第２の非吸着ガスを導出する第２の吸着工程、および上記第２の吸着剤から一酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出する第２の脱着工程を含むサイクルを繰り返し行う第２の圧力変動吸着式ガス分離工程と、を含むことを特徴としている。
【０００９】
好ましくは、上記第１の吸着剤は、活性炭である。
【００１０】
好ましくは、上記第２の吸着剤は、塩化銅を添着した活性炭である。
【００１１】
好ましくは、上記第１の吸着工程において上記第１の吸着塔から導出される上記第１の非吸着ガスのうち、上記第１の吸着工程の開始時から所定の時点までに導出されるガスを水素回収配管を介して回収する。
【００１２】
本分離方法においては、二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスから二酸化炭素および窒素を分離するにあたり、ＰＳＡ法による２段階の圧力変動吸着式ガス分離工程を実行することにより、上記の４種類のガス成分を選択的に濃縮分離することが可能となる。具体的には、まず、第１の圧力変動吸着式ガス分離工程では、第１の吸着剤に優先的に吸着された二酸化炭素を脱着・回収することより、二酸化炭素を効率よく分離することができる。ここで、第１の吸着剤としては、例えば、二酸化炭素の吸着容量が他のガス成分に比べて極端に大きい活性炭系のものが好適に用いられる。また、第１の吸着工程において第１の吸着剤に吸着されずに第１の吸着塔から導出される第１の非吸着ガスは、窒素、水素、および一酸化炭素を主成分とするガスである。このうち水素については、他の成分ガス（窒素および一酸化炭素）に比べて吸着剤に対する吸着容量が乏しい性質を有する。このため、第１の非吸着ガスのうち初期ガスを回収することにより、水素を濃縮分離することができる。次いで、第２の圧力変動吸着式ガス分離工程では、第２の吸着塔に導入されて第２の吸着工程に付されるガス（第１の非吸着ガスのうち後半部分のガス）は、高炉ガスから二酸化炭素および水素が有意に除去されたものであり、窒素および一酸化炭素を主成分とするガスである。第２の圧力変動吸着式ガス分離工程においては、第２の吸着剤に優先的に吸着された一酸化炭素を脱着・回収することにより、一酸化炭素を効率よく分離回収することができる。ここで、第２の吸着剤としては、例えば、一酸化炭素の吸着容量が窒素の吸着容量に比べて極端に大きい、塩化銅を添着した活性炭が好適に用いられる。また、第２の吸着工程において第２の吸着剤に吸着されずに第２の吸着塔から導出される第２の非吸着ガスは、窒素を主成分とするガスである。
【００１３】
本発明の第２の側面によって提供される高炉ガスの分離システムは、二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスを分離するためのシステムであって、二酸化炭素を優先的に吸着するための第１の吸着剤が充填された第１の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第１の吸着塔に上記高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を上記第１の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第１の非吸着ガスを導出し、かつ、上記第１の吸着剤から二酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出するための第１の圧力変動吸着式ガス分離装置と、一酸化炭素を優先的に吸着するための第２の吸着剤が充填された第２の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記第２の吸着塔に上記第１の非吸着ガスを導入して当該第１の非吸着ガス中の一酸化炭素を上記第２の吸着剤に吸着させつつ当該吸着塔から第２の非吸着ガスを導出し、かつ、上記第２の吸着剤から一酸化炭素を脱着させて塔外へ脱着ガスを導出するための第２の圧力変動吸着式ガス分離装置と、を備えることを特徴としている。このような構成の高炉ガスの分離システムによると、本発明の第１の側面の高炉ガスの分離方法を適切に行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高炉ガスから不燃性の二酸化炭素および窒素を分離することにより可燃成分が濃縮されたガスを得ることができ、燃料用途としての発熱量を大幅に高めることが可能となる。これにより、従来においては発熱量不足を補うために用いられていた補助燃料の削減または廃止が可能となり、補助燃料に由来する二酸化炭素排出量の削減にも繋がる。また、濃縮分離された二酸化炭素を地中または海中に貯留する技術が将来的に実用化されれば、重ねて二酸化炭素の排出量の削減に貢献することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の好ましい実施形態に係る高炉ガスの分離方法について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る高炉ガスの分離方法を実行するのに使用することができる高炉ガス分離システムの概略構成を示している。高炉ガス分離システムＸは、直列的に２段に配置された圧力変動吸着式ガス分離装置（ＰＳＡガス分離装置）１，２と、これらにつながる配管とを備えており、二酸化炭素、窒素、水素および一酸化炭素を含む高炉ガスから難吸着成分が濃縮された非吸着ガスと易吸着成分が濃縮された脱着ガスとを分離回収するべく、圧力変動吸着式ガス分離法（ＰＳＡ法）による操作を実行可能に構成されたものである。
【００１７】
ＰＳＡガス分離装置１は、二酸化炭素を優先的に吸着するための第１の吸着剤が充填された複数の吸着塔（第１の吸着塔、図示略）を備えており、第１の圧力変動吸着式ガス分離工程（第１のＰＳＡガス分離工程）を行うためのものである。第１の吸着剤としては、例えば、椰子殻や竹などの植物質や、石炭質、石油質などのものを原料とする活性炭を採用することができる。
【００１８】
第１のＰＳＡガス分離工程では、単一の吸着塔について、例えば第１の吸着工程、第１の洗浄工程、および第１の脱着工程を含む１サイクルが繰り返される。第１の吸着工程は、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に高炉ガスを導入して当該高炉ガス中の二酸化炭素を第１の吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から第１の非吸着ガスを導出するための工程である。第１の洗浄工程は、第１の吸着工程を終了した吸着塔を、第１の脱着工程にある他の吸着塔から導出される脱着ガスの一部を利用して洗浄する工程である。第１の脱着工程は、吸着塔内を減圧して第１の吸着剤から二酸化炭素を脱着させ、二酸化炭素が濃縮された脱着ガスを塔外に導出するための工程である。
【００１９】
ＰＳＡガス分離装置１には、高炉ガスを供給するための高炉ガス供給配管３が接続されている。高炉ガスとしては、例えば製鉄所における高炉からの排出ガスに脱湿処理を施したガスが挙げられる。当該高炉ガスの組成（体積濃度）は、例えば、二酸化炭素が１９〜２４％、窒素が５２〜６０％、水素が２〜６％、一酸化炭素が２１〜２７％である。
【００２０】
ＰＳＡガス分離装置１にはまた、水素回収配管４、非吸着ガス送出配管５、および脱着ガス回収配管６が接続されている。水素回収配管４は、吸着塔から導出される第１の非吸着ガスの一部を回収するためのものである。非吸着ガス送出配管５は、吸着塔からの第１の非吸着ガスをＰＳＡガス分離装置２に送り出すためのものである。ＰＳＡガス分離装置１は、吸着塔からの第１の非吸着ガスを、水素回収配管４に通流させる状態と非吸着ガス送出配管５に通流させる状態とに切換える機構（図示略）を備えている。なお、非吸着ガス送出配管５には、第１の非吸着ガスをＰＳＡガス分離装置２に圧送するための圧縮機を設けてもよい。
【００２１】
ＰＳＡガス分離装置２は、一酸化炭素を優先的に吸着するための第２の吸着剤が充填された複数の吸着塔（第２の吸着塔、図示略）を備えており、第２の圧力変動吸着式ガス分離工程（第２のＰＳＡガス分離工程）を行うためのものである。第２の吸着剤としては、一酸化炭素の吸着選択性を高める化学物質を添着した活性炭が好適であり、例えば塩化銅を添着した活性炭が用いられる。塩化銅添着活性炭については、加熱還元処理を施して１価の塩化銅とすることにより、一酸化炭素の吸着選択性が高まる。その一方、塩化銅添着活性炭は、窒素の吸着容量が極端に小さい。ＰＳＡガス分離装置２には、非吸着ガス送出配管５、非吸着ガス取出配管７、および脱着ガス回収配管８が接続されている。ＰＳＡガス分離装置２は、塩化銅添着活性炭の吸着特性から、２５〜８０℃で操作することが好ましく、３０〜６０℃で操作することがより好ましい。
【００２２】
第２のＰＳＡガス分離工程では、単一の吸着塔について、例えば第２の吸着工程、第２の洗浄工程、および第２の脱着工程を含む１サイクルが繰り返される。第２の吸着工程は、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に第１の非吸着ガスを導入して当該非吸着ガス中の一酸化炭素を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から第２の非吸着ガスを導出するための工程である。第２の洗浄工程は、第２の吸着工程を終了した吸着塔を、第２の脱着工程にある他の吸着塔から導出される脱着ガスの一部を利用して洗浄する工程である。第２の脱着工程は、吸着塔内を減圧して第２の吸着剤から一酸化炭素を脱着させ、一酸化炭素が濃縮された脱着ガスを塔外に導出するための工程である。
【００２３】
上記構成の高炉ガス分離システムＸの稼動時には、高炉ガス供給配管３を介してＰＳＡガス分離装置１へ高炉ガスが供給される。
【００２４】
ＰＳＡガス分離装置１では、吸着塔ごとに上述の第１の吸着工程、第１の洗浄工程、および第１の脱着工程を含むサイクルが繰り返し行われる。
【００２５】
第１の吸着工程では、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に高炉ガスが導入され、第１の吸着剤により易吸着成分である二酸化炭素が優先的に吸着されて第１の非吸着ガスが塔外に導出される。第１の吸着工程における吸着圧力は、例えば１００〜４００ｋＰａ（ゲージ圧）である。ここで、高炉ガスの導入に際し、高炉からの排出ガスの元圧を利用して第１の吸着工程を実行することができる。したがって、この場合、第１の吸着工程を実行するための圧縮機を用いる必要がない。
【００２６】
第１の吸着剤（活性炭）の各種ガス成分に対する吸着容量は、二酸化炭素≫一酸化炭素＞窒素＞水素という関係になっている。図２は、活性炭の二酸化炭素、一酸化炭素、窒素、水素に対する常温（２５℃）での吸着等温線を表す。ここで、二酸化炭素の吸着容量は、他のガス成分に比べて極端に大きいことから、吸着圧力を低めに設定しても、第１の吸着剤に対する二酸化炭素の吸着量は比較的に多くなる。
【００２７】
一酸化炭素および窒素の吸着容量については、二酸化炭素に比べると小さいものの、水素に比べると大きい。したがって、第１の吸着工程の初期においては一酸化炭素および窒素もある程度吸着され、第１の吸着工程の初期段階において塔外に導出される第１の非吸着ガスについては、水素濃度が相当に高くなる。第１の吸着工程が進行すると、二酸化炭素に比べて吸着容量が小さい一酸化炭素および窒素が吸着されることなく第１の非吸着ガスとして塔外へ導出されてくるので、第１の非吸着ガス中の水素濃度は次第に低下する。
【００２８】
本実施形態においては、第１の吸着工程の開始時から途中の時点まで、吸着塔からの第１の非吸着ガスを、水素回収配管４を介して水素濃縮ガスとして回収する。当該回収操作は、例えば第１の非吸着ガス中の水素濃度を常時的にセンサで検知し、水素濃度が所定の濃度に低下した時点で終了する。水素の回収率を高める場合には、水素濃縮ガス回収の終了時の水素濃度を低く設定し、水素の濃縮率を高める場合には、当該終了時の水素濃度を高く設定する。水素の回収率を重視して当該終了時の水素濃度を例えば１０％とした場合、回収した水素濃縮ガス全体における水素濃度は約３０％となり、もとの高炉ガスにおける水素濃度が２〜６％であったので、水素は５倍以上に濃縮されることになる。この場合、水素の回収率は約８０％となる。
【００２９】
第１の吸着工程は、例えば塔内の第１の吸着剤が破過するまで行う。上記の水素濃縮ガスの回収の終了後においては、吸着塔から導出される第１の非吸着ガスは、非吸着ガス送出配管５を介してＰＳＡガス分離装置２へと送出される。このとき、非吸着ガス送出配管５を流れるガスについては、既に二酸化炭素および水素が分離済みであるので、残余の窒素および一酸化炭素を主成分とするガスであり、例えば窒素濃度が６０〜６５％、一酸化炭素濃度が３０〜３５％である。
【００３０】
第１の洗浄工程では、第１の脱着工程にある他の吸着塔から導出される脱着ガスの一部を利用して塔内を洗浄する。第１の脱着工程では、吸着塔内を大気圧以下に減圧して、第１の吸着剤から吸着ガスを脱着させる。脱着ガスには、二酸化炭素が高い濃度で含まれている。当該脱着ガスは、塔外へ導出され、脱着ガス回収配管６を介して回収される。回収した脱着ガスについては、例えば、二酸化炭素の濃度が９０〜９９％であり、二酸化炭素の回収率が８０〜９０％である。
【００３１】
ＰＳＡガス分離装置２では、吸着塔ごとに上述の第２の吸着工程、第２の洗浄工程、および第２の脱着工程を含むサイクルが繰り返し行われる。
【００３２】
第２の吸着工程では、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に第１の非吸着ガスが導入され、第２の吸着剤により易吸着成分である一酸化炭素が優先的に吸着されて、窒素が濃縮された第２の非吸着ガスが塔外に導出される。第２の吸着工程は、例えば塔内の第２の吸着剤が破過するまで行う。第２の吸着工程における吸着圧力は、例えば１００〜４００ｋＰａ（ゲージ圧）である。
【００３３】
第２の吸着剤（塩化銅添着活性炭）の各種ガス成分に対する吸着容量は、一酸化炭素≫二酸化炭素＞窒素＞水素という関係になっている。図３は、塩化銅添着活性炭の一酸化炭素、二酸化炭素、水素、窒素に対する常温（２５℃）での吸着等温線、および、一酸化炭素、二酸化炭素に対する常温よりも高温（５０℃）での吸着等温線を表す。ここで、一酸化炭素の吸着容量は、他のガス成分に比べて極端に大きいことから、吸着圧力を低めに設定しても、第２の吸着剤に対する一酸化炭素の吸着量は比較的に多くなる。一方、窒素の吸着容量は吸着圧力に拘わらず小さい値を示しているので、殆どの窒素が第２の吸着剤に吸着されずに通過する。
【００３４】
また、二酸化炭素および一酸化炭素について、温度条件が異なる２５℃と５０℃の場合をそれぞれ対比すると、二酸化炭素および一酸化炭素のいずれも高温である５０℃のときに同一の吸着圧力下での吸着容量は低下するが、高温時（５０℃）に吸着容量が低下する割合としては、一酸化炭素よりも二酸化炭素の方が大きい。これにより、２５℃の場合よりも５０℃の場合の方が、第２の吸着工程における一酸化炭素と二酸化炭素の分離性が良好であるといえる。したがって、第２の吸着工程に付されるＰＳＡガス分離装置１からの第１の非吸着ガスについて、第１の吸着剤によって吸着されなかったことによって含まれる二酸化炭素の分離を考慮すると、第２の吸着工程を常温よりも高温（５０℃）で行うことが好ましい。
【００３５】
第２の吸着工程において塔外に導出された第２の非吸着ガスは、非吸着ガス取出配管７を介して回収される。回収した第２の非吸着ガスについては、例えば、窒素の濃度が８０〜９５％であり、窒素の回収率が７０〜９９％である。
【００３６】
第２の洗浄工程では、第２の脱着工程にある他の吸着塔から導出される脱着ガスの一部を利用して塔内を洗浄する。第２の脱着工程では、吸着塔内を大気圧以下に減圧して、吸着剤から吸着ガスを脱着させる。脱着ガスには、一酸化炭素が高い濃度で含まれている。当該脱着ガスは、塔外へ導出され、脱着ガス回収配管８を介して回収される。回収した脱着ガスについては、例えば、一酸化炭素の濃度が９０〜９９％であり、一酸化炭素の回収率が８０〜９０％である。
【００３７】
このように、高炉ガス分離システムＸを用いて行う高炉ガスの分離方法によると、ＰＳＡ法による２段階のＰＳＡガス分離工程を実行することにより、高炉ガスに含まれる４種類のガス成分（二酸化炭素、水素、一酸化炭素、および窒素）を選択的に濃縮分離することができる。即ち、本実施形態によれば、高炉ガスから不燃性の二酸化炭素および窒素を分離することにより可燃成分が濃縮されたガスを得ることができ、燃料用途としての発熱量を大幅に高めることが可能となる。これにより、従来においては発熱量不足を補うために用いられていた補助燃料の削減または廃止が可能となり、補助燃料に由来する二酸化炭素排出量の削減にも繋がる。また、濃縮分離された二酸化炭素を地中または海中に貯留する技術が将来的に実用化されれば、重ねて二酸化炭素の排出量の削減に貢献できることになる。
【００３８】
加えて、本実施形態によれば、可燃成分である水素および一酸化炭素についても選択的に濃縮分離することができる。水素回収配管４を介して回収された第１の非吸着ガス（水素濃縮ガス）については、製鉄所内で発生するコークスオーブンガス（水素濃度が約４０〜５０％）などの比較的に水素濃度の高いガスに混ぜて使用する等により、付加価値の高い燃料として有効利用を図ることができる。脱着ガス回収配管８を介して回収された脱着ガス（高濃度一酸化炭素）については、発熱量が高く絶対量も比較的に多いので、燃料として有効利用が可能である。
【００３９】
以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
【実施例】
【００４０】
次に、本発明の有用性を実施例により説明する。
【００４１】
本実施例では、図１に示したような２つのＰＳＡガス分離装置１，２を用いて高炉ガスの分離を行った。ＰＳＡガス分離装置１，２は、それぞれ、３つの吸着塔を備えた３塔式ＰＳＡである。ＰＳＡガス分離装置１の各吸着塔には、吸着剤として、椰子殻系の活性炭を２．０リットル充填した。ＰＳＡガス分離装置２の各吸着塔には、吸着剤として、塩化銅を添着した活性炭を２．０リットル充填した。この装置を用いて、高炉ガス（体積濃度にして二酸化炭素が２２％、窒素が５２％、水素が３％、一酸化炭素が２３％）から二酸化炭素、一酸化炭素とその他のガス成分との分離を試みた。ＰＳＡガス分離装置１に供給される高炉ガスの供給量は１５００リットル／ｈｒ（標準状態換算）とした。
【００４２】
ＰＳＡガス分離装置１では、第１の吸着工程における塔内の最高圧力は３００ｋＰａ（ゲージ圧）、第１の脱着工程における塔内の最低圧力は−９０ｋＰａ（ゲージ圧）とした。次いで、ＰＳＡガス分離装置１において塔内の吸着剤に吸着されなかったガスを、ＰＳＡガス分離装置２へ供給した。ＰＳＡガス分離装置２では、第２の吸着工程における塔内の最高圧力は２００ｋＰａ（ゲージ圧）、第２の脱着工程における塔内の最低圧力は−９０ｋＰａ（ゲージ圧）とした。
【００４３】
その結果、ＰＳＡガス分離装置１における第１の脱着工程より得られたガスは二酸化炭素を主成分とするガスであり、当該ガスの取得量は２９３．３リットル／ｈｒ（標準状態換算）、二酸化炭素の濃度は９０％、二酸化炭素の回収率（高炉ガス中の二酸化炭素ガス量に対して回収される二酸化炭素ガス量の割合）は８０％であった。また、ＰＳＡガス分離装置２の第２の脱着工程より得られたガスは一酸化炭素を主成分とするガスであり、当該ガスの取得量は３０６．７リットル／ｈｒ（標準状態換算）、一酸化炭素の濃度は９０％、一酸化炭素の回収率（高炉ガス中の一酸化炭素ガス量に対して回収される一酸化炭素ガス量の割合）は８０％である。ＰＳＡガス分離装置２において塔内の吸着剤に吸着されなかったガスは窒素ガスを主成分とするガスであり、その取得量は９００リットル／ｈｒ（標準状態換算）であった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る高炉ガスの分離方法を実行するのに使用することができる高炉ガス分離システムの概略構成図である。
【図２】活性炭の各種ガスに対する吸着等温線を示すグラフである。
【図３】塩化銅添着活性炭の各種ガスに対する吸着等温線を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
Ｘ      高炉ガス分離システム
１      ＰＳＡガス分離装置（第１の圧力吸着変動式ガス分離装置）
２      ＰＳＡガス分離装置（第２の圧力吸着変動式ガス分離装置）
３      高炉ガス供給配管
４      水素回収配管
５      非吸着ガス送出配管
６      脱着ガス回収配管
７      非吸着ガス取出配管
８      脱着ガス回収配管
【図１】
0005319140.tif 000002
【図２】
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【図３】
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