オフガス供給方法
【課題】 ＰＳＡ法を利用して、複数の吸着塔により混合ガスから目的ガスを濃縮分離する際、当該吸着塔から排出されるオフガスを途切れることなくオフガス消費ユニットに供給するとともに、目的ガスの濃縮分離を行うシステムのコンパクト化を図ることができるオフガス供給方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、複数のステップからなるサイクルが繰り返し行われる圧力変動吸着法を利用して、吸着剤が充填された複数の吸着塔（Ａ，Ｂ，Ｃ）により混合ガスから目的ガスを濃縮分離する際において、当該吸着塔（Ａ，Ｂ，Ｃ）から排出されるオフガスをオフガス消費ユニット（１）に供給するためのオフガス供給方法を提供する。この方法によれば、前記サイクルを構成する全てのステップにおいて、前記吸着塔（Ａ，Ｂ，Ｃ）の少なくとも１つから前記オフガスを排出させることにより、当該オフガスを前記オフガス消費ユニット（１）に途切れることなく供給し続けることになる。
【解決手段】 本発明は、複数のステップからなるサイクルが繰り返し行われる圧力変動吸着法を利用して、吸着剤が充填された複数の吸着塔（Ａ，Ｂ，Ｃ）により混合ガスから目的ガスを濃縮分離する際において、当該吸着塔（Ａ，Ｂ，Ｃ）から排出されるオフガスをオフガス消費ユニット（１）に供給するためのオフガス供給方法を提供する。この方法によれば、前記サイクルを構成する全てのステップにおいて、前記吸着塔（Ａ，Ｂ，Ｃ）の少なくとも１つから前記オフガスを排出させることにより、当該オフガスを前記オフガス消費ユニット（１）に途切れることなく供給し続けることになる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力変動吸着法を利用して、混合ガスから目的ガスを濃縮分離する際に排出されるオフガスのリサイクル技術に関する。具体的には、本発明は、オフガスをオフガス消費ユニットに供給する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
混合ガス中から水素ガスなどの目的ガスを濃縮分離する方法として、圧力変動吸着法（以下、ＰＳＡ法と称する。）などが知られている。ＰＳＡ法は、吸着剤を充填した吸着塔を２〜４塔設け、各吸着塔において、吸着工程、減圧工程、脱着工程、洗浄工程および昇圧工程を含むサイクルを繰り返すことにより行われる。このようなＰＳＡ法を利用して混合ガスから目的ガスを濃縮分離する技術は、例えば、特開２０００−３１３６０５号公報から公知となっている。
【０００３】
上記特許文献に開示されている技術は、図７ａ〜７ｉに示したように、適宜の吸着剤が充填された３つの吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃを含む装置を用いて、ステップＩ〜ＩＸからなるサイクルを繰り返し行うことにより、目的ガスの濃縮分離と、吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃから排出されるオフガスのオフガス使用ユニット（改質器）への供給とを行う技術である。これらのステップについて、以下に説明する。
【０００４】
図７ａに示したように、ステップＩにおいては、吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは洗浄工程、吸着塔Ｃでは第１減圧工程が行われる。具体的には、吸着塔Ａに混合ガスが導入され、塔内において吸着剤により不要ガス成分が除去されて、製品ガス（濃縮分離された目的ガス）が塔外に排出される。吸着塔Ｃは、吸着工程（後述のステップＩＸ参照）を終えたばかりであり、そこから導出される残留ガスが洗浄ガスとして洗浄工程にある吸着塔Ｂに導入される。これにより、吸着塔Ｃの減圧と同時に、吸着塔Ｂの洗浄が行われる。
【０００５】
図７ｂに示したように、ステップＩＩにおいては、吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第１昇圧工程（均圧工程）、吸着塔Ｃでは第２減圧工程（均圧工程）が行われる。具体的には、吸着塔Ａでは、ステップＩに引き続き、吸着剤により不要ガス成分が除去されて製品ガスが塔外に排出される。吸着塔Ｃは、ステップＩに引き続き、残留ガスを吸着塔Ｂに導入し、吸着塔Ｂは、洗浄工程（ステップＩ参照）を終え、吸着塔Ｃから導入されるガスを蓄える。これにより、吸着塔Ｃの減圧と同時に、吸着塔Ｂの昇圧が行われ、吸着塔Ｂと吸着塔Ｃとの均圧化が図られる。
【０００６】
図７ｃに示したように、ステップＩＩＩにおいては、吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第２昇圧工程、吸着塔Ｃでは脱着工程（ブローダウン工程）が行われる。具体的には、吸着塔Ａでは、ステップＩおよびステップＩＩに引き続き混合ガスが導入され、製品ガスが塔外に排出される。この際、製品ガスの一部は吸着塔Ｂに導入されて、当該吸着塔Ｂでは引き続き昇圧が行われる。また、吸着塔Ｃでは、塔内に残留するガスが排出されるとともに、それによる減圧により吸着剤に吸着されていた不要ガス成分が脱着して塔外に排出される。
【０００７】
ステップＩＶ〜ＶＩにおいては、図７ｄ〜７ｆに示したように吸着塔ＡではステップＩ〜ＩＩＩにおける吸着塔Ｃと同様に第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程がそれぞれ行われる。吸着塔ＢではステップＩ〜ＩＩＩにおける吸着塔Ａと同様に吸着工程が通して行われる。吸着塔ＣではステップＩ〜ＩＩＩにおける吸着塔Ｂと同様に洗浄工程、第１昇圧工程および第２昇圧工程が行われる。
【０００８】
ステップＶＩＩ〜ＩＸにおいては、図７ｇ〜７ｉに示したように吸着塔ＡではステップＩ〜ＩＩＩにおける吸着塔Ｂと同様に洗浄工程、第１昇圧工程および第２昇圧工程が行われる。吸着塔ＢではステップＩ〜ＩＩＩにおける吸着塔Ｃと同様に第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程が行われる。吸着塔ＣではステップＩ〜ＩＩＩにおける吸着塔Ａと同様に吸着工程が通して行われる。
【０００９】
以上に説明したステップＩ〜ＩＸを各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃにおいて繰り返し行うことにより、混合ガスから不要ガス成分が除去され、目的ガス濃度の高い製品ガスが連続的に得られる。
【００１０】
一方、ステップＩにおける吸着塔Ｂ、ステップＩＩＩにおける吸着塔Ｃ、ステップＩＶにおける吸着塔Ｃ、ステップＶＩにおける吸着塔Ａ、ステップＶＩＩにおける吸着塔Ａ、ステップＩＸにおける吸着塔Ｂから排出されるオフガスは、オフガス貯蔵タンク（図示せず）を介した上で、燃料として改質器に供給される。ここで、オフガス貯蔵タンクを介するようにした理由は、ステップＩＩ，Ｖ，ＶＩＩＩでは、いずれの吸着塔からもオフガスの排出がなくなるので、他のステップにおいて排出されるオフガスの一部をオフガス貯蔵タンクに貯蔵することにより、吸着塔からのオフガスの排出が途切れるステップＩＩ，Ｖ，ＶＩＩＩにおいても、オフガスを改質器に途切れることなく供給し続けることができるようにするためである。
【００１１】
しかしながら、オフガス貯蔵タンクは、一般的に吸着塔の５倍以上の容積を有しており、目的ガスの濃縮分離を行うシステムのコンパクト化推進において重大な阻害要因となっていた。また、上記特許文献に開示されている技術においては、オフガス貯蔵タンクの容積を減少させると、圧力変動が大きくなるため当該タンクの小型化を図ることが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０００−３１３６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明の目的は、ＰＳＡ法を利用して、複数の吸着塔により混合ガスから目的ガスを濃縮分離する際、当該吸着塔から排出されるオフガスを途切れることなくオフガス消費ユニットに供給するとともに、目的ガスの濃縮分離を行うシステムのコンパクト化を図ることができるオフガス供給方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、複数のステップからなるサイクルが繰り返し行われる圧力変動吸着法を利用して、吸着剤が充填された複数の吸着塔により混合ガスから目的ガスを濃縮分離する際において、当該吸着塔から排出されるオフガスをオフガス消費ユニットに供給するためのオフガス供給方法が提供される。この方法において、前記各吸着塔では、混合ガス中の不要ガス成分を吸着剤により吸着して目的ガス濃度の高い製品ガスを排出する吸着工程と、吸着塔内の圧力を第１の中間圧力まで低下させる第１減圧工程と、吸着塔内の圧力を第２の中間圧力まで低下させる第２減圧工程と、吸着剤に吸着した不要ガス成分を脱着し排出する脱着工程と、吸着塔内に洗浄ガスを導入して塔内に残留するガスを排出する洗浄工程と、吸着塔内の圧力を上昇させる第１昇圧工程と、吸着塔混合ガス入口および製品ガス出口を共に閉鎖する待機工程と、吸着塔内の圧力をさらに上昇させる第２昇圧工程と、が順次繰り返される。前記第２減圧工程にある吸着塔の製品ガス出口から排出される残留ガスを前記第１昇圧工程にある他の吸着塔に導入するとともに、前記第２減圧工程にある吸着塔の混合ガス入口から前記オフガス消費ユニットにオフガスを供給される。これにより、前記サイクルを構成する全てのステップにおいて、前記吸着塔の少なくとも１つから前記オフガスを排出させることにより、当該オフガスを前記オフガス消費ユニットに途切れることなく供給し続けることができる。
【００１５】
以上の構成によると、オフガスを塔外へ排出し続けることができるので、オフガス貯蔵タンクなどにより当該オフガスを多量に蓄えなくても、オフガス消費ユニットなどへ途切れることなくオフガスを供給し続けることができる。したがって、目的ガス精製システムのコンパクト化における重大な阻害要因であるオフガス貯蔵タンクを小型化する、あるいは取り除くことができ、ひいては目的ガス精製システムのコンパクト化を図ることができる。
【００１６】
好ましくは、オフガス消費ユニットに供給されるオフガスは、流量制御が行われる。このような構成にしたことにより、ステップごとに、あるいは経時的に、オフガスの排出圧力や組成が急激に変化する場合においても、当該変化を緩和させることができる。したがって、オフガス消費ユニットへのオフガスの供給をより安定して行うことができる。
【００１７】
好ましくは、流量制御は、各吸着塔とオフガス消費ユニットとの間を繋ぐガス流路に設けられた流量制御弁の開度を変化させることにより行われる。
【００１８】
好ましくは、前記各吸着塔は、前記第２減圧工程、前記脱着工程および前記洗浄工程において前記オフガス消費ユニットにオフガスを供給する。
【００１９】
好ましくは、前記オフガス消費ユニットに供給される前記オフガスは、前記各吸着塔と前記オフガス消費ユニットとの間を繋ぐガス流路に設けられた流量制御弁により流量制御される。また、流量制御弁の開度は、前記洗浄工程において最大となり、前記第２減圧工程において最小となり、前記脱着工程においては徐々に増加する。
【００２０】
好ましくは、前記オフガス消費ユニットは、前記混合ガスが製造される改質手段の燃焼部を構成している。
【００２１】
好ましくは、前記目的ガスは、水素ガスであり、前記混合ガスは、水素ガスと、水素ガス以外の可燃性ガス成分とを含む。
【００２２】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面に基づいて説明する実施形態から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明を説明するための参考例に係るオフガスの供給方法を実現するための３塔式のＰＳＡシステムの概略構成図である。
【図２】図２は、前記３塔式のＰＳＡシステムを用いて目的ガスを濃縮分離する際の各ステップ（ステップ１〜９）において、各吸着塔で行われている工程およびそのときの弁の開閉状態を示すタイミング図である。
【図３】図３は、前記各ステップ（ステップ１〜９）に対応するガスの流れ図である。
【図４】図４は、前記ＰＳＡシステムから排出されるオフガスの流量を制御するための流量制御弁における開度の経時変化を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係るオフガス供給方法を実現するための４塔式のＰＳＡシステムを用いて目的ガスを濃縮分離する際の各ステップ（ステップ１’〜１２’）において、各吸着塔で行われている工程を示すタイミング図である。
【図６】図６は、前記各ステップ（ステップ１’〜１２’）に対応するガスの流れ図である。
【図７】図７は、従来のオフガス供給方法を実現するための３塔式のＰＳＡシステムを用いて目的ガスを濃縮分離する際の各ステップ（ステップＩ〜ＩＸ）に対応するガスの流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の参考例と好ましい実施形態について、添付図面を参照して具体的に説明する。
【００２５】
本発明の参考例に係るオフガス供給方法は、たとえば図１に示した３塔式のＰＳＡシステムを用いて実施することができる。この図に示した３塔式のＰＳＡシステムＸ１は、主として、改質手段１と、精製手段２と、オフガス供給手段３とを具備している。改質手段１は、燃焼部１０と改質部１１とを含む。精製手段２は、３つの吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃと、混合ガス用配管２０と、製品ガス用配管２１と、残留ガス回収用配管２２と、ガス導入用配管２３と、製品ガス逆流用配管２４とを含む。オフガス供給手段３は、オフガス供給用配管３０を備えている。
【００２６】
各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃには、吸着剤が充填されている。吸着剤としては、カーボン（炭酸ガスやメタンガスを除去するのに適する）、ゼオライト（一酸化炭素や窒素ガスを除去するのに適する）、アルミナ（水蒸気を除去するのに適する）などが例示される。もちろん、例示した吸着剤は２種以上を併用してもよく、また例示したもの以外の吸着剤を使用してもよい。
【００２７】
各配管２０〜２４には、自動弁ａ〜ｑがそれぞれ設けられている。残留ガス回収用配管２２、製品ガス逆流用配管２４およびオフガス供給用配管３０には流量制御弁４０，４１，４２がそれぞれ設けられている。また、自動弁ａ〜ｑの開閉および流量制御弁４０，４１，４２の開度を制御する制御手段（図示せず）も設けられている。以下に説明するように、自動弁ａ〜ｑの開閉状態の選択および流量制御弁４０，４１，４２の開度の制御をすることにより、各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃにおいて吸着工程、第１減圧工程、第２減圧工程、脱着工程、洗浄工程、第１昇圧工程および第２昇圧工程が行われる。
【００２８】
具体的には、図２に示したようなタイミングで、各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃにおいて各工程（ステップ１〜９）が行われる。各ステップにおける自動弁ａ〜ｑの開閉状態は、図２に示されており、各ステップにおけるガス流れは、図３ａ〜３ｉに模式的に示されている。また、図４は、ステップ１〜３までの各ステップにおける流量制御弁４２の開度制御の一例を示す。図４に示した例によれば、流量制御弁４２の開度は、ステップ１では１００％（一定）であり、ステップ２では１０％（一定）であり、ステップ３では４０％（ステップ３開始時）〜１００％（ステップ３終了時）までほぼ直線的に経時変化する。但し、流量制御弁４２の開度は、必要に応じて任意に定めればよい。同様に、流動制御弁４０，４１の開度も、必要に応じて任意に定めればよい。
【００２９】
なお、図２においては以下の略号が用いられている。
ＡＤ： 吸着工程
第１ＤＰ： 第１減圧工程
第２ＤＰ： 第２減圧工程
ＤＥ： 脱着工程
ＳＣ： 洗浄工程
第１ＰＲ： 第１昇圧工程
第２ＰＲ： 第２昇圧工程
【００３０】
ステップ１においては、図２に示したように吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは洗浄工程、吸着塔Ｃでは第１減圧工程が行われており、図３ａに示したようなガス流れ状態とされている。
【００３１】
図１および図３ａに示したように、吸着塔Ａには、改質手段１における改質部１１から混合ガス用配管２０および自動弁ａを介して混合ガスが導入される。吸着塔Ａでは、吸着剤により不要ガス成分が除去されて製品ガスが塔外に排出される。製品ガスは、自動弁ｉおよび製品ガス用配管２１を介して回収される。
【００３２】
吸着塔Ｂには、自動弁ｎ、残留ガス回収用配管２２、流量制御弁４０、自動弁ｐ、ガス導入用配管２３および自動弁ｊを介して、吸着塔Ｃから排出された残留ガス（洗浄ガス）が導入される。吸着塔Ｃは、先に吸着工程を行っているのに対して、吸着塔Ｂは先に脱着工程を行っていたから（図３ｉに示されるステップ９参照）、吸着塔Ｃの塔内の方が吸着塔Ｂの塔内よりも高圧となっている。そのため、吸着塔Ｃの残留ガスを吸着塔Ｂに導入することにより、吸着塔Ｃの塔内が第１の中間圧力まで減圧され、吸着塔Ｂからは塔内に残留するガスが排出される。このガスは、自動弁ｄ、オフガス供給用配管３０および流量制御弁４２を介して改質手段１における燃焼部１０に供給される。
【００３３】
吸着最高圧力を１００％、脱着最低圧力を０％と仮定した場合、吸着塔Ｃ（第１減圧工程）における上記第１中間圧力は、３５％〜８５％の範囲とされる。
【００３４】
ステップ２においては、図２に示したように吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第１昇圧工程、吸着塔Ｃでは第２減圧工程が行われており、図３ｂに示したようなガス流れ状態とされている。
【００３５】
図１および図３ｂに示したように、吸着塔Ａでは、ステップ１に引き続いて混合ガスが導入され、製品ガスが塔外に排出される。製品ガスは、ステップ１と同様にして回収される。
【００３６】
一方、吸着塔Ｃから導出される残留ガスは、自動弁ｎ、残留ガス回収用配管２２、流量制御弁４０、自動弁ｐ、ガス導入用配管２３および自動弁ｊを介して吸着塔Ｂに導入されるとともに、自動弁ｆ、オフガス供給用配管３０および流量制御弁４２を介して燃焼部１０に供給される。すなわち、ステップ２では、吸着塔Ｂと吸着塔Ｃとの間で均圧化を図るために自動弁ｄを閉じることにより、吸着塔Ｂからのオフガスの供給が遮断されるが、自動弁ｆを開くことにより、吸着塔Ｃから自動弁ｆ、オフガス供給用配管３０および流量制御弁４２を介して燃焼部１０にオフガスが供給される。この結果、燃焼部１０にはステップ１から途切れることなくオフガスが供給され続ける。また、吸着塔Ｃの塔内が第１の中間圧力よりも低い第２の中間圧力までさらに減圧されるとともに、吸着塔Ｂの昇圧が行われる。
【００３７】
吸着最高圧力を１００％、脱着最低圧力を０％と仮定した場合、吸着塔Ｃ（第２減圧工程）における第２中間圧力は、５０％〜１５％の範囲とされる。
【００３８】
ステップ３においては、図２に示したように吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第２昇圧工程、吸着塔Ｃでは脱着工程が行われており、図３ｃに示したようなガス流れ状態とされている。
【００３９】
図１および図３ｃに示したように、吸着塔Ａでは、ステップ１および２から引き続き混合ガスが導入され、製品ガスが塔外に排出される。製品ガスは、ステップ１と同様にして回収されるが、その一部が製品ガス逆流用配管２４、自動弁ｑ、流量制御弁４１、ガス導入用配管２３および自動弁ｊを介して吸着塔Ｂに導入され、吸着塔Ｂの塔内のさらなる昇圧が行われる。
【００４０】
一方、吸着塔Ｃでは、図２に示したように、自動弁ｅ，ｍ，ｎ，ｏが閉鎖され、自動弁ｆが開放状態とされており、脱着最低圧力まで塔内からオフガス（吸着剤から脱着した不要ガス成分も含む）が排出される。このオフガスは、自動弁ｆ、オフガス供給用配管３０および流量制御弁４２を介して燃焼部１０に供給される。したがって、燃焼部１０にはステップ２から途切れることなくオフガスが供給され続ける。
【００４１】
ステップ４〜６においては、図２および図３ｄ〜３ｆに示したように、吸着塔Ａではステップ１〜３における吸着塔Ｃと同様にして第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程が行われる。吸着塔Ｂではステップ１〜３における吸着塔Ａと同様にして吸着工程が通して行われる。吸着塔Ｃではステップ１〜３における吸着塔Ｂと同様にして洗浄工程、第１昇圧工程および第２昇圧工程が行われる。
【００４２】
ステップ７〜９においては、図２および図３ｇ〜３ｉに示したように、吸着塔Ａではステップ１〜３における吸着塔Ｂと同様にして洗浄工程、第１昇圧工程および第２昇圧工程が行われる。吸着塔Ｂではステップ１〜３における吸着塔Ｃと同様にして第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程が行われる。吸着塔Ｃではステップ１〜３における吸着塔Ａと同様にして吸着工程が通して行われる。
【００４３】
以上に説明したステップ１〜９を各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃにおいて繰り返し行うことにより、混合ガスから不要ガス成分が除去され、目的ガス濃度の高い製品ガスが連続的に得られるとともに、各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃからオフガスを排出し続ける。この結果、オフガスを燃焼部１０に途切れることなく供給し続けることができる。したがって、本参考例におけるＰＳＡシステムＸ１には、多大な設置面積を要するオフガス貯蔵タンクを設ける必要がなく、当該システムＸ１のコンパクト化を達成することができる。なお、目的ガスを水素ガスとした場合、混合ガスとしては、水素ガスと、水素ガス以外の可燃性ガス成分とを含むものが好ましい。
【００４４】
次に、本発明の実施形態に係るオフガス供給方法について、図５〜図６を参照しつつ説明する。図５は、各ステップ（後述するステップ１’〜１２’参照）において各吸着塔で行われている工程の内容を示す。図６は、目的ガスを濃縮分離する際の各ステップに対応するガスの流れを模式的に表す。本発明の実施形態におけるＰＳＡシステムと上記参考例におけるＰＳＡシステムＸ１との構造上の相違は、吸着塔Ｄを追加して４塔式にしたことにある。吸着塔Ｄの追加に伴い、自動弁の追加などが行われるが、その他の構成は、参考例と同様であるため、実施形態における詳細なシステムの構造および各ステップにおける弁の開閉状態についての説明は省略する。
【００４５】
なお、図５においては以下の略号が用いられている。
ＡＤ： 吸着工程
第１ＤＰ： 第１減圧工程
第２ＤＰ： 第２減圧工程
ＤＥ： 脱着工程
ＳＣ： 洗浄工程
第１ＰＲ： 第１昇圧工程
第２ＰＲ： 第２昇圧工程
ＷＡ： 待機工程
【００４６】
本発明の実施形態では、各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて吸着工程、第１減圧工程、第２減圧工程、脱着工程、洗浄工程、第１昇圧工程、待機工程および第２昇圧工程が行われる。具体的には、図５に示したようなタイミングで、各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて各工程（ステップ１’〜１２’）が行われる。
【００４７】
ステップ１’においては、図５に示したように吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第２昇圧工程、吸着塔Ｃでは洗浄工程、吸着塔Ｄでは第１減圧工程が行われており、図６ａに示したようなガス流れ状態とされている。
【００４８】
図６ａに示したように、吸着塔Ａには、改質部（図示せず）から混合ガスが導入される。吸着塔Ａでは、吸着剤により不要ガス成分が除去されて製品ガスが塔外に排出され、回収される。また、この製品ガスの一部が吸着塔Ｂに導入され、吸着塔Ｂの塔内の昇圧が行われる。
【００４９】
吸着塔Ｃには、吸着塔Ｄから排出された残留ガス（洗浄ガス）が導入される。吸着塔Ｄは、先に吸着工程を行っているのに対して吸着塔Ｃは先に脱着工程を行っていたから（図６ｌに示される後述のステップ１２’参照））、吸着塔Ｄの塔内の方が吸着塔Ｃの塔内よりも高圧となっている。そのため、吸着塔Ｄの残留ガスを吸着塔Ｃに導入することにより、吸着塔Ｄの塔内が第１の中間圧力まで減圧され、吸着塔Ｃからは塔内に残留するガスが排出される。排出されたオフガスは、燃焼部（図示せず）に供給される。
【００５０】
吸着最高圧力を１００％、脱着最低圧力を０％と仮定した場合、吸着塔Ｄ（第１減圧工程）における第１中間圧力は、３５％〜８５％の範囲とされる。
ステップ２’においては、図５に示したように吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第２昇圧工程、吸着塔Ｃでは第１昇圧工程、吸着塔Ｄでは第２減圧工程が行われており、図６ｂに示したようなガス流れ状態とされている。
【００５１】
図６ｂに示したように、吸着塔Ａには、ステップ１’に引き続いて混合ガスが導入され、製品ガスが塔外に排出される。製品ガスは、ステップ１’と同様にして回収される。また、この製品ガスの一部が、引き続き吸着塔Ｂに導入され、吸着塔Ｂの塔内の昇圧が行われる。
【００５２】
一方、吸着塔Ｄから導出される残留ガスは、吸着塔Ｃに導入されるとともに、燃焼部（図示せず）に供給される。すなわち、ステップ２’では、吸着塔Ｃと吸着塔Ｄとの間で均圧化を図るために、吸着塔Ｃからのオフガスの排出が遮断されるが、吸着塔Ｄから燃焼部（図示せず）にオフガスが供給される。この結果、燃焼部には途切れることなくオフガスが供給され続ける。また、これにより、吸着塔Ｄの塔内が第１の中間圧力よりも低い第２の中間圧力まで、さらに減圧されるとともに、吸着塔Ｃの昇圧が行われる。
【００５３】
吸着最高圧力を１００％、脱着最低圧力を０％とした場合、吸着塔Ｄ（第２減圧工程）における第２中間圧力は、５０％〜１５％の範囲とされる。
【００５４】
ステップ３’においては、図５に示したように吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第２昇圧工程、吸着塔Ｃでは待機工程、吸着塔Ｄでは脱着工程が行われており、図６ｃに示したようなガス流れ状態とされている。
【００５５】
図６ｃに示したように、吸着塔Ａには、ステップ１’および２’に引き続き混合ガスが導入され、製品ガスが塔外に排出される。製品ガスは、ステップ１’と同様にして回収される。また、この製品ガスの一部が吸着塔Ｂに導入され、吸着塔Ｂの塔内の昇圧が行われる。
【００５６】
一方、吸着塔Ｄでは、脱着最低圧力まで塔内からオフガス（吸着剤から脱着した不要ガス成分を含む）が排出される。排出されたオフガスは、燃焼部（図示せず）に供給される。また、吸着塔Ｃは、ガスの授受のない待機状態にある。
【００５７】
ステップ４’〜６’においては、図５および図６ｄ〜６ｆに示したように、吸着塔Ａではステップ１’〜３’における吸着塔Ｄと同様にして第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程が行われる。吸着塔Ｂではステップ１’〜３’における吸着塔Ａと同様にして吸着工程が通して行われる。吸着塔Ｃではステップ１’〜３’における吸着塔Ｂと同様にして第２昇圧工程が通して行われる。吸着塔Ｄではステップ１’〜３’における吸着塔Ｃと同様にして洗浄工程、第１昇圧工程および待機工程が行われる。
【００５８】
ステップ７’〜９’においては、図５および図６ｇ〜６ｉに示したように、吸着塔Ａではステップ１’〜３’における吸着塔Ｃと同様にして洗浄工程、第１昇圧工程および待機工程が行われる。吸着塔Ｂではステップ１’〜３’における吸着塔Ｄと同様にして第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程が行われる。吸着塔Ｃではステップ１’〜３’における吸着塔Ａと同様にして吸着工程が通して行われる。吸着塔Ｄではステップ１’〜３’における吸着塔Ｂと同様にして第２昇圧工程が通して行われる。
【００５９】
ステップ１０’〜１２’においては、図５および図６ｊ〜６ｌに示したように、吸着塔Ａではステップ１’〜３’における吸着塔Ｂと同様にして第２昇圧工程が通して行われる。吸着塔Ｂではステップ１’〜３’における吸着塔Ｃと同様にして洗浄工程、第１昇圧工程および待機工程が行われる。吸着塔Ｃではステップ１’〜３’における吸着塔Ｄと同様にして第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程が行われる。吸着塔Ｄではステップ１’〜３’における吸着塔Ａと同様にして吸着工程が通して行われる。
【００６０】
以上に説明したステップ１’〜１２’を各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて繰り返し行うことにより、混合ガスから不要ガス成分が除去され、目的ガス濃度の高い製品ガスが連続的に得られる。また、各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄからオフガスを排出し続けるため、当該オフガスを燃焼部（図示せず）に途切れることなく供給し続けることができる。したがって、本発明の実施形態におけるＰＳＡシステムには、多大な設置面積を要するオフガス貯蔵タンクを設ける必要がなく、当該システムのコンパクト化を達成することができる。なお、目的ガスを水素ガスとした場合、混合ガスとしては、水素ガスと、水素ガス以外の可燃性ガス成分とを含むものが好ましい。
【００６１】
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な変更が可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力変動吸着法を利用して、混合ガスから目的ガスを濃縮分離する際に排出されるオフガスのリサイクル技術に関する。具体的には、本発明は、オフガスをオフガス消費ユニットに供給する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
混合ガス中から水素ガスなどの目的ガスを濃縮分離する方法として、圧力変動吸着法（以下、ＰＳＡ法と称する。）などが知られている。ＰＳＡ法は、吸着剤を充填した吸着塔を２〜４塔設け、各吸着塔において、吸着工程、減圧工程、脱着工程、洗浄工程および昇圧工程を含むサイクルを繰り返すことにより行われる。このようなＰＳＡ法を利用して混合ガスから目的ガスを濃縮分離する技術は、例えば、特開２０００−３１３６０５号公報から公知となっている。
【０００３】
上記特許文献に開示されている技術は、図７ａ〜７ｉに示したように、適宜の吸着剤が充填された３つの吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃを含む装置を用いて、ステップＩ〜ＩＸからなるサイクルを繰り返し行うことにより、目的ガスの濃縮分離と、吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃから排出されるオフガスのオフガス使用ユニット（改質器）への供給とを行う技術である。これらのステップについて、以下に説明する。
【０００４】
図７ａに示したように、ステップＩにおいては、吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは洗浄工程、吸着塔Ｃでは第１減圧工程が行われる。具体的には、吸着塔Ａに混合ガスが導入され、塔内において吸着剤により不要ガス成分が除去されて、製品ガス（濃縮分離された目的ガス）が塔外に排出される。吸着塔Ｃは、吸着工程（後述のステップＩＸ参照）を終えたばかりであり、そこから導出される残留ガスが洗浄ガスとして洗浄工程にある吸着塔Ｂに導入される。これにより、吸着塔Ｃの減圧と同時に、吸着塔Ｂの洗浄が行われる。
【０００５】
図７ｂに示したように、ステップＩＩにおいては、吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第１昇圧工程（均圧工程）、吸着塔Ｃでは第２減圧工程（均圧工程）が行われる。具体的には、吸着塔Ａでは、ステップＩに引き続き、吸着剤により不要ガス成分が除去されて製品ガスが塔外に排出される。吸着塔Ｃは、ステップＩに引き続き、残留ガスを吸着塔Ｂに導入し、吸着塔Ｂは、洗浄工程（ステップＩ参照）を終え、吸着塔Ｃから導入されるガスを蓄える。これにより、吸着塔Ｃの減圧と同時に、吸着塔Ｂの昇圧が行われ、吸着塔Ｂと吸着塔Ｃとの均圧化が図られる。
【０００６】
図７ｃに示したように、ステップＩＩＩにおいては、吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第２昇圧工程、吸着塔Ｃでは脱着工程（ブローダウン工程）が行われる。具体的には、吸着塔Ａでは、ステップＩおよびステップＩＩに引き続き混合ガスが導入され、製品ガスが塔外に排出される。この際、製品ガスの一部は吸着塔Ｂに導入されて、当該吸着塔Ｂでは引き続き昇圧が行われる。また、吸着塔Ｃでは、塔内に残留するガスが排出されるとともに、それによる減圧により吸着剤に吸着されていた不要ガス成分が脱着して塔外に排出される。
【０００７】
ステップＩＶ〜ＶＩにおいては、図７ｄ〜７ｆに示したように吸着塔ＡではステップＩ〜ＩＩＩにおける吸着塔Ｃと同様に第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程がそれぞれ行われる。吸着塔ＢではステップＩ〜ＩＩＩにおける吸着塔Ａと同様に吸着工程が通して行われる。吸着塔ＣではステップＩ〜ＩＩＩにおける吸着塔Ｂと同様に洗浄工程、第１昇圧工程および第２昇圧工程が行われる。
【０００８】
ステップＶＩＩ〜ＩＸにおいては、図７ｇ〜７ｉに示したように吸着塔ＡではステップＩ〜ＩＩＩにおける吸着塔Ｂと同様に洗浄工程、第１昇圧工程および第２昇圧工程が行われる。吸着塔ＢではステップＩ〜ＩＩＩにおける吸着塔Ｃと同様に第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程が行われる。吸着塔ＣではステップＩ〜ＩＩＩにおける吸着塔Ａと同様に吸着工程が通して行われる。
【０００９】
以上に説明したステップＩ〜ＩＸを各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃにおいて繰り返し行うことにより、混合ガスから不要ガス成分が除去され、目的ガス濃度の高い製品ガスが連続的に得られる。
【００１０】
一方、ステップＩにおける吸着塔Ｂ、ステップＩＩＩにおける吸着塔Ｃ、ステップＩＶにおける吸着塔Ｃ、ステップＶＩにおける吸着塔Ａ、ステップＶＩＩにおける吸着塔Ａ、ステップＩＸにおける吸着塔Ｂから排出されるオフガスは、オフガス貯蔵タンク（図示せず）を介した上で、燃料として改質器に供給される。ここで、オフガス貯蔵タンクを介するようにした理由は、ステップＩＩ，Ｖ，ＶＩＩＩでは、いずれの吸着塔からもオフガスの排出がなくなるので、他のステップにおいて排出されるオフガスの一部をオフガス貯蔵タンクに貯蔵することにより、吸着塔からのオフガスの排出が途切れるステップＩＩ，Ｖ，ＶＩＩＩにおいても、オフガスを改質器に途切れることなく供給し続けることができるようにするためである。
【００１１】
しかしながら、オフガス貯蔵タンクは、一般的に吸着塔の５倍以上の容積を有しており、目的ガスの濃縮分離を行うシステムのコンパクト化推進において重大な阻害要因となっていた。また、上記特許文献に開示されている技術においては、オフガス貯蔵タンクの容積を減少させると、圧力変動が大きくなるため当該タンクの小型化を図ることが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０００−３１３６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明の目的は、ＰＳＡ法を利用して、複数の吸着塔により混合ガスから目的ガスを濃縮分離する際、当該吸着塔から排出されるオフガスを途切れることなくオフガス消費ユニットに供給するとともに、目的ガスの濃縮分離を行うシステムのコンパクト化を図ることができるオフガス供給方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、複数のステップからなるサイクルが繰り返し行われる圧力変動吸着法を利用して、吸着剤が充填された複数の吸着塔により混合ガスから目的ガスを濃縮分離する際において、当該吸着塔から排出されるオフガスをオフガス消費ユニットに供給するためのオフガス供給方法が提供される。この方法において、前記各吸着塔では、混合ガス中の不要ガス成分を吸着剤により吸着して目的ガス濃度の高い製品ガスを排出する吸着工程と、吸着塔内の圧力を第１の中間圧力まで低下させる第１減圧工程と、吸着塔内の圧力を第２の中間圧力まで低下させる第２減圧工程と、吸着剤に吸着した不要ガス成分を脱着し排出する脱着工程と、吸着塔内に洗浄ガスを導入して塔内に残留するガスを排出する洗浄工程と、吸着塔内の圧力を上昇させる第１昇圧工程と、吸着塔混合ガス入口および製品ガス出口を共に閉鎖する待機工程と、吸着塔内の圧力をさらに上昇させる第２昇圧工程と、が順次繰り返される。前記第２減圧工程にある吸着塔の製品ガス出口から排出される残留ガスを前記第１昇圧工程にある他の吸着塔に導入するとともに、前記第２減圧工程にある吸着塔の混合ガス入口から前記オフガス消費ユニットにオフガスを供給される。これにより、前記サイクルを構成する全てのステップにおいて、前記吸着塔の少なくとも１つから前記オフガスを排出させることにより、当該オフガスを前記オフガス消費ユニットに途切れることなく供給し続けることができる。
【００１５】
以上の構成によると、オフガスを塔外へ排出し続けることができるので、オフガス貯蔵タンクなどにより当該オフガスを多量に蓄えなくても、オフガス消費ユニットなどへ途切れることなくオフガスを供給し続けることができる。したがって、目的ガス精製システムのコンパクト化における重大な阻害要因であるオフガス貯蔵タンクを小型化する、あるいは取り除くことができ、ひいては目的ガス精製システムのコンパクト化を図ることができる。
【００１６】
好ましくは、オフガス消費ユニットに供給されるオフガスは、流量制御が行われる。このような構成にしたことにより、ステップごとに、あるいは経時的に、オフガスの排出圧力や組成が急激に変化する場合においても、当該変化を緩和させることができる。したがって、オフガス消費ユニットへのオフガスの供給をより安定して行うことができる。
【００１７】
好ましくは、流量制御は、各吸着塔とオフガス消費ユニットとの間を繋ぐガス流路に設けられた流量制御弁の開度を変化させることにより行われる。
【００１８】
好ましくは、前記各吸着塔は、前記第２減圧工程、前記脱着工程および前記洗浄工程において前記オフガス消費ユニットにオフガスを供給する。
【００１９】
好ましくは、前記オフガス消費ユニットに供給される前記オフガスは、前記各吸着塔と前記オフガス消費ユニットとの間を繋ぐガス流路に設けられた流量制御弁により流量制御される。また、流量制御弁の開度は、前記洗浄工程において最大となり、前記第２減圧工程において最小となり、前記脱着工程においては徐々に増加する。
【００２０】
好ましくは、前記オフガス消費ユニットは、前記混合ガスが製造される改質手段の燃焼部を構成している。
【００２１】
好ましくは、前記目的ガスは、水素ガスであり、前記混合ガスは、水素ガスと、水素ガス以外の可燃性ガス成分とを含む。
【００２２】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面に基づいて説明する実施形態から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明を説明するための参考例に係るオフガスの供給方法を実現するための３塔式のＰＳＡシステムの概略構成図である。
【図２】図２は、前記３塔式のＰＳＡシステムを用いて目的ガスを濃縮分離する際の各ステップ（ステップ１〜９）において、各吸着塔で行われている工程およびそのときの弁の開閉状態を示すタイミング図である。
【図３】図３は、前記各ステップ（ステップ１〜９）に対応するガスの流れ図である。
【図４】図４は、前記ＰＳＡシステムから排出されるオフガスの流量を制御するための流量制御弁における開度の経時変化を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係るオフガス供給方法を実現するための４塔式のＰＳＡシステムを用いて目的ガスを濃縮分離する際の各ステップ（ステップ１’〜１２’）において、各吸着塔で行われている工程を示すタイミング図である。
【図６】図６は、前記各ステップ（ステップ１’〜１２’）に対応するガスの流れ図である。
【図７】図７は、従来のオフガス供給方法を実現するための３塔式のＰＳＡシステムを用いて目的ガスを濃縮分離する際の各ステップ（ステップＩ〜ＩＸ）に対応するガスの流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の参考例と好ましい実施形態について、添付図面を参照して具体的に説明する。
【００２５】
本発明の参考例に係るオフガス供給方法は、たとえば図１に示した３塔式のＰＳＡシステムを用いて実施することができる。この図に示した３塔式のＰＳＡシステムＸ１は、主として、改質手段１と、精製手段２と、オフガス供給手段３とを具備している。改質手段１は、燃焼部１０と改質部１１とを含む。精製手段２は、３つの吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃと、混合ガス用配管２０と、製品ガス用配管２１と、残留ガス回収用配管２２と、ガス導入用配管２３と、製品ガス逆流用配管２４とを含む。オフガス供給手段３は、オフガス供給用配管３０を備えている。
【００２６】
各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃには、吸着剤が充填されている。吸着剤としては、カーボン（炭酸ガスやメタンガスを除去するのに適する）、ゼオライト（一酸化炭素や窒素ガスを除去するのに適する）、アルミナ（水蒸気を除去するのに適する）などが例示される。もちろん、例示した吸着剤は２種以上を併用してもよく、また例示したもの以外の吸着剤を使用してもよい。
【００２７】
各配管２０〜２４には、自動弁ａ〜ｑがそれぞれ設けられている。残留ガス回収用配管２２、製品ガス逆流用配管２４およびオフガス供給用配管３０には流量制御弁４０，４１，４２がそれぞれ設けられている。また、自動弁ａ〜ｑの開閉および流量制御弁４０，４１，４２の開度を制御する制御手段（図示せず）も設けられている。以下に説明するように、自動弁ａ〜ｑの開閉状態の選択および流量制御弁４０，４１，４２の開度の制御をすることにより、各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃにおいて吸着工程、第１減圧工程、第２減圧工程、脱着工程、洗浄工程、第１昇圧工程および第２昇圧工程が行われる。
【００２８】
具体的には、図２に示したようなタイミングで、各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃにおいて各工程（ステップ１〜９）が行われる。各ステップにおける自動弁ａ〜ｑの開閉状態は、図２に示されており、各ステップにおけるガス流れは、図３ａ〜３ｉに模式的に示されている。また、図４は、ステップ１〜３までの各ステップにおける流量制御弁４２の開度制御の一例を示す。図４に示した例によれば、流量制御弁４２の開度は、ステップ１では１００％（一定）であり、ステップ２では１０％（一定）であり、ステップ３では４０％（ステップ３開始時）〜１００％（ステップ３終了時）までほぼ直線的に経時変化する。但し、流量制御弁４２の開度は、必要に応じて任意に定めればよい。同様に、流動制御弁４０，４１の開度も、必要に応じて任意に定めればよい。
【００２９】
なお、図２においては以下の略号が用いられている。
ＡＤ： 吸着工程
第１ＤＰ： 第１減圧工程
第２ＤＰ： 第２減圧工程
ＤＥ： 脱着工程
ＳＣ： 洗浄工程
第１ＰＲ： 第１昇圧工程
第２ＰＲ： 第２昇圧工程
【００３０】
ステップ１においては、図２に示したように吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは洗浄工程、吸着塔Ｃでは第１減圧工程が行われており、図３ａに示したようなガス流れ状態とされている。
【００３１】
図１および図３ａに示したように、吸着塔Ａには、改質手段１における改質部１１から混合ガス用配管２０および自動弁ａを介して混合ガスが導入される。吸着塔Ａでは、吸着剤により不要ガス成分が除去されて製品ガスが塔外に排出される。製品ガスは、自動弁ｉおよび製品ガス用配管２１を介して回収される。
【００３２】
吸着塔Ｂには、自動弁ｎ、残留ガス回収用配管２２、流量制御弁４０、自動弁ｐ、ガス導入用配管２３および自動弁ｊを介して、吸着塔Ｃから排出された残留ガス（洗浄ガス）が導入される。吸着塔Ｃは、先に吸着工程を行っているのに対して、吸着塔Ｂは先に脱着工程を行っていたから（図３ｉに示されるステップ９参照）、吸着塔Ｃの塔内の方が吸着塔Ｂの塔内よりも高圧となっている。そのため、吸着塔Ｃの残留ガスを吸着塔Ｂに導入することにより、吸着塔Ｃの塔内が第１の中間圧力まで減圧され、吸着塔Ｂからは塔内に残留するガスが排出される。このガスは、自動弁ｄ、オフガス供給用配管３０および流量制御弁４２を介して改質手段１における燃焼部１０に供給される。
【００３３】
吸着最高圧力を１００％、脱着最低圧力を０％と仮定した場合、吸着塔Ｃ（第１減圧工程）における上記第１中間圧力は、３５％〜８５％の範囲とされる。
【００３４】
ステップ２においては、図２に示したように吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第１昇圧工程、吸着塔Ｃでは第２減圧工程が行われており、図３ｂに示したようなガス流れ状態とされている。
【００３５】
図１および図３ｂに示したように、吸着塔Ａでは、ステップ１に引き続いて混合ガスが導入され、製品ガスが塔外に排出される。製品ガスは、ステップ１と同様にして回収される。
【００３６】
一方、吸着塔Ｃから導出される残留ガスは、自動弁ｎ、残留ガス回収用配管２２、流量制御弁４０、自動弁ｐ、ガス導入用配管２３および自動弁ｊを介して吸着塔Ｂに導入されるとともに、自動弁ｆ、オフガス供給用配管３０および流量制御弁４２を介して燃焼部１０に供給される。すなわち、ステップ２では、吸着塔Ｂと吸着塔Ｃとの間で均圧化を図るために自動弁ｄを閉じることにより、吸着塔Ｂからのオフガスの供給が遮断されるが、自動弁ｆを開くことにより、吸着塔Ｃから自動弁ｆ、オフガス供給用配管３０および流量制御弁４２を介して燃焼部１０にオフガスが供給される。この結果、燃焼部１０にはステップ１から途切れることなくオフガスが供給され続ける。また、吸着塔Ｃの塔内が第１の中間圧力よりも低い第２の中間圧力までさらに減圧されるとともに、吸着塔Ｂの昇圧が行われる。
【００３７】
吸着最高圧力を１００％、脱着最低圧力を０％と仮定した場合、吸着塔Ｃ（第２減圧工程）における第２中間圧力は、５０％〜１５％の範囲とされる。
【００３８】
ステップ３においては、図２に示したように吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第２昇圧工程、吸着塔Ｃでは脱着工程が行われており、図３ｃに示したようなガス流れ状態とされている。
【００３９】
図１および図３ｃに示したように、吸着塔Ａでは、ステップ１および２から引き続き混合ガスが導入され、製品ガスが塔外に排出される。製品ガスは、ステップ１と同様にして回収されるが、その一部が製品ガス逆流用配管２４、自動弁ｑ、流量制御弁４１、ガス導入用配管２３および自動弁ｊを介して吸着塔Ｂに導入され、吸着塔Ｂの塔内のさらなる昇圧が行われる。
【００４０】
一方、吸着塔Ｃでは、図２に示したように、自動弁ｅ，ｍ，ｎ，ｏが閉鎖され、自動弁ｆが開放状態とされており、脱着最低圧力まで塔内からオフガス（吸着剤から脱着した不要ガス成分も含む）が排出される。このオフガスは、自動弁ｆ、オフガス供給用配管３０および流量制御弁４２を介して燃焼部１０に供給される。したがって、燃焼部１０にはステップ２から途切れることなくオフガスが供給され続ける。
【００４１】
ステップ４〜６においては、図２および図３ｄ〜３ｆに示したように、吸着塔Ａではステップ１〜３における吸着塔Ｃと同様にして第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程が行われる。吸着塔Ｂではステップ１〜３における吸着塔Ａと同様にして吸着工程が通して行われる。吸着塔Ｃではステップ１〜３における吸着塔Ｂと同様にして洗浄工程、第１昇圧工程および第２昇圧工程が行われる。
【００４２】
ステップ７〜９においては、図２および図３ｇ〜３ｉに示したように、吸着塔Ａではステップ１〜３における吸着塔Ｂと同様にして洗浄工程、第１昇圧工程および第２昇圧工程が行われる。吸着塔Ｂではステップ１〜３における吸着塔Ｃと同様にして第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程が行われる。吸着塔Ｃではステップ１〜３における吸着塔Ａと同様にして吸着工程が通して行われる。
【００４３】
以上に説明したステップ１〜９を各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃにおいて繰り返し行うことにより、混合ガスから不要ガス成分が除去され、目的ガス濃度の高い製品ガスが連続的に得られるとともに、各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃからオフガスを排出し続ける。この結果、オフガスを燃焼部１０に途切れることなく供給し続けることができる。したがって、本参考例におけるＰＳＡシステムＸ１には、多大な設置面積を要するオフガス貯蔵タンクを設ける必要がなく、当該システムＸ１のコンパクト化を達成することができる。なお、目的ガスを水素ガスとした場合、混合ガスとしては、水素ガスと、水素ガス以外の可燃性ガス成分とを含むものが好ましい。
【００４４】
次に、本発明の実施形態に係るオフガス供給方法について、図５〜図６を参照しつつ説明する。図５は、各ステップ（後述するステップ１’〜１２’参照）において各吸着塔で行われている工程の内容を示す。図６は、目的ガスを濃縮分離する際の各ステップに対応するガスの流れを模式的に表す。本発明の実施形態におけるＰＳＡシステムと上記参考例におけるＰＳＡシステムＸ１との構造上の相違は、吸着塔Ｄを追加して４塔式にしたことにある。吸着塔Ｄの追加に伴い、自動弁の追加などが行われるが、その他の構成は、参考例と同様であるため、実施形態における詳細なシステムの構造および各ステップにおける弁の開閉状態についての説明は省略する。
【００４５】
なお、図５においては以下の略号が用いられている。
ＡＤ： 吸着工程
第１ＤＰ： 第１減圧工程
第２ＤＰ： 第２減圧工程
ＤＥ： 脱着工程
ＳＣ： 洗浄工程
第１ＰＲ： 第１昇圧工程
第２ＰＲ： 第２昇圧工程
ＷＡ： 待機工程
【００４６】
本発明の実施形態では、各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて吸着工程、第１減圧工程、第２減圧工程、脱着工程、洗浄工程、第１昇圧工程、待機工程および第２昇圧工程が行われる。具体的には、図５に示したようなタイミングで、各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて各工程（ステップ１’〜１２’）が行われる。
【００４７】
ステップ１’においては、図５に示したように吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第２昇圧工程、吸着塔Ｃでは洗浄工程、吸着塔Ｄでは第１減圧工程が行われており、図６ａに示したようなガス流れ状態とされている。
【００４８】
図６ａに示したように、吸着塔Ａには、改質部（図示せず）から混合ガスが導入される。吸着塔Ａでは、吸着剤により不要ガス成分が除去されて製品ガスが塔外に排出され、回収される。また、この製品ガスの一部が吸着塔Ｂに導入され、吸着塔Ｂの塔内の昇圧が行われる。
【００４９】
吸着塔Ｃには、吸着塔Ｄから排出された残留ガス（洗浄ガス）が導入される。吸着塔Ｄは、先に吸着工程を行っているのに対して吸着塔Ｃは先に脱着工程を行っていたから（図６ｌに示される後述のステップ１２’参照））、吸着塔Ｄの塔内の方が吸着塔Ｃの塔内よりも高圧となっている。そのため、吸着塔Ｄの残留ガスを吸着塔Ｃに導入することにより、吸着塔Ｄの塔内が第１の中間圧力まで減圧され、吸着塔Ｃからは塔内に残留するガスが排出される。排出されたオフガスは、燃焼部（図示せず）に供給される。
【００５０】
吸着最高圧力を１００％、脱着最低圧力を０％と仮定した場合、吸着塔Ｄ（第１減圧工程）における第１中間圧力は、３５％〜８５％の範囲とされる。
ステップ２’においては、図５に示したように吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第２昇圧工程、吸着塔Ｃでは第１昇圧工程、吸着塔Ｄでは第２減圧工程が行われており、図６ｂに示したようなガス流れ状態とされている。
【００５１】
図６ｂに示したように、吸着塔Ａには、ステップ１’に引き続いて混合ガスが導入され、製品ガスが塔外に排出される。製品ガスは、ステップ１’と同様にして回収される。また、この製品ガスの一部が、引き続き吸着塔Ｂに導入され、吸着塔Ｂの塔内の昇圧が行われる。
【００５２】
一方、吸着塔Ｄから導出される残留ガスは、吸着塔Ｃに導入されるとともに、燃焼部（図示せず）に供給される。すなわち、ステップ２’では、吸着塔Ｃと吸着塔Ｄとの間で均圧化を図るために、吸着塔Ｃからのオフガスの排出が遮断されるが、吸着塔Ｄから燃焼部（図示せず）にオフガスが供給される。この結果、燃焼部には途切れることなくオフガスが供給され続ける。また、これにより、吸着塔Ｄの塔内が第１の中間圧力よりも低い第２の中間圧力まで、さらに減圧されるとともに、吸着塔Ｃの昇圧が行われる。
【００５３】
吸着最高圧力を１００％、脱着最低圧力を０％とした場合、吸着塔Ｄ（第２減圧工程）における第２中間圧力は、５０％〜１５％の範囲とされる。
【００５４】
ステップ３’においては、図５に示したように吸着塔Ａでは吸着工程、吸着塔Ｂでは第２昇圧工程、吸着塔Ｃでは待機工程、吸着塔Ｄでは脱着工程が行われており、図６ｃに示したようなガス流れ状態とされている。
【００５５】
図６ｃに示したように、吸着塔Ａには、ステップ１’および２’に引き続き混合ガスが導入され、製品ガスが塔外に排出される。製品ガスは、ステップ１’と同様にして回収される。また、この製品ガスの一部が吸着塔Ｂに導入され、吸着塔Ｂの塔内の昇圧が行われる。
【００５６】
一方、吸着塔Ｄでは、脱着最低圧力まで塔内からオフガス（吸着剤から脱着した不要ガス成分を含む）が排出される。排出されたオフガスは、燃焼部（図示せず）に供給される。また、吸着塔Ｃは、ガスの授受のない待機状態にある。
【００５７】
ステップ４’〜６’においては、図５および図６ｄ〜６ｆに示したように、吸着塔Ａではステップ１’〜３’における吸着塔Ｄと同様にして第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程が行われる。吸着塔Ｂではステップ１’〜３’における吸着塔Ａと同様にして吸着工程が通して行われる。吸着塔Ｃではステップ１’〜３’における吸着塔Ｂと同様にして第２昇圧工程が通して行われる。吸着塔Ｄではステップ１’〜３’における吸着塔Ｃと同様にして洗浄工程、第１昇圧工程および待機工程が行われる。
【００５８】
ステップ７’〜９’においては、図５および図６ｇ〜６ｉに示したように、吸着塔Ａではステップ１’〜３’における吸着塔Ｃと同様にして洗浄工程、第１昇圧工程および待機工程が行われる。吸着塔Ｂではステップ１’〜３’における吸着塔Ｄと同様にして第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程が行われる。吸着塔Ｃではステップ１’〜３’における吸着塔Ａと同様にして吸着工程が通して行われる。吸着塔Ｄではステップ１’〜３’における吸着塔Ｂと同様にして第２昇圧工程が通して行われる。
【００５９】
ステップ１０’〜１２’においては、図５および図６ｊ〜６ｌに示したように、吸着塔Ａではステップ１’〜３’における吸着塔Ｂと同様にして第２昇圧工程が通して行われる。吸着塔Ｂではステップ１’〜３’における吸着塔Ｃと同様にして洗浄工程、第１昇圧工程および待機工程が行われる。吸着塔Ｃではステップ１’〜３’における吸着塔Ｄと同様にして第１減圧工程、第２減圧工程および脱着工程が行われる。吸着塔Ｄではステップ１’〜３’における吸着塔Ａと同様にして吸着工程が通して行われる。
【００６０】
以上に説明したステップ１’〜１２’を各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて繰り返し行うことにより、混合ガスから不要ガス成分が除去され、目的ガス濃度の高い製品ガスが連続的に得られる。また、各吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄからオフガスを排出し続けるため、当該オフガスを燃焼部（図示せず）に途切れることなく供給し続けることができる。したがって、本発明の実施形態におけるＰＳＡシステムには、多大な設置面積を要するオフガス貯蔵タンクを設ける必要がなく、当該システムのコンパクト化を達成することができる。なお、目的ガスを水素ガスとした場合、混合ガスとしては、水素ガスと、水素ガス以外の可燃性ガス成分とを含むものが好ましい。
【００６１】
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な変更が可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のステップからなるサイクルが繰り返し行われる圧力変動吸着法を利用して、吸着剤が充填された複数の吸着塔により混合ガスから目的ガスを濃縮分離する際において、当該吸着塔から排出されるオフガスをオフガス消費ユニットに供給するためのオフガス供給方法であって、
前記各吸着塔では、混合ガス中の不要ガス成分を吸着剤により吸着して目的ガス濃度の高い製品ガスを排出する吸着工程と、吸着塔内の圧力を第１の中間圧力まで低下させる第１減圧工程と、吸着塔内の圧力を第２の中間圧力まで低下させる第２減圧工程と、吸着剤に吸着した不要ガス成分を脱着し排出する脱着工程と、吸着塔内に洗浄ガスを導入して塔内に残留するガスを排出する洗浄工程と、吸着塔内の圧力を上昇させる第１昇圧工程と、吸着塔混合ガス入口および製品ガス出口を共に閉鎖する待機工程と、吸着塔内の圧力をさらに上昇させる第２昇圧工程と、が順次繰り返され、
前記第２減圧工程にある吸着塔の製品ガス出口から排出される残留ガスを前記第１昇圧工程にある他の吸着塔に導入するとともに、前記第２減圧工程にある吸着塔の混合ガス入口から前記オフガス消費ユニットにオフガスを供給することにより、
前記サイクルを構成する全てのステップにおいて、前記吸着塔の少なくとも１つから前記オフガスを排出させることにより、当該オフガスを前記オフガス消費ユニットに途切れることなく供給し続けることを特徴とする、オフガス供給方法。
【請求項２】
前記オフガス消費ユニットに供給される前記オフガスは、流量制御が行われる、請求項１に記載のオフガス供給方法。
【請求項３】
前記流量制御は、前記各吸着塔と前記オフガス消費ユニットとの間を繋ぐガス流路に設けられた流量制御弁の開度を変化させることにより行われる、請求項２に記載のオフガス供給方法。
【請求項４】
前記オフガス消費ユニットは、前記混合ガスが製造される改質手段の燃焼部を構成している、請求項１に記載のオフガス供給方法。
【請求項５】
前記目的ガスは、水素ガスであり、前記混合ガスは、水素ガスと、水素ガス以外の可燃性ガス成分とを含む、請求項１に記載のオフガス供給方法。
【請求項１】
複数のステップからなるサイクルが繰り返し行われる圧力変動吸着法を利用して、吸着剤が充填された複数の吸着塔により混合ガスから目的ガスを濃縮分離する際において、当該吸着塔から排出されるオフガスをオフガス消費ユニットに供給するためのオフガス供給方法であって、
前記各吸着塔では、混合ガス中の不要ガス成分を吸着剤により吸着して目的ガス濃度の高い製品ガスを排出する吸着工程と、吸着塔内の圧力を第１の中間圧力まで低下させる第１減圧工程と、吸着塔内の圧力を第２の中間圧力まで低下させる第２減圧工程と、吸着剤に吸着した不要ガス成分を脱着し排出する脱着工程と、吸着塔内に洗浄ガスを導入して塔内に残留するガスを排出する洗浄工程と、吸着塔内の圧力を上昇させる第１昇圧工程と、吸着塔混合ガス入口および製品ガス出口を共に閉鎖する待機工程と、吸着塔内の圧力をさらに上昇させる第２昇圧工程と、が順次繰り返され、
前記第２減圧工程にある吸着塔の製品ガス出口から排出される残留ガスを前記第１昇圧工程にある他の吸着塔に導入するとともに、前記第２減圧工程にある吸着塔の混合ガス入口から前記オフガス消費ユニットにオフガスを供給することにより、
前記サイクルを構成する全てのステップにおいて、前記吸着塔の少なくとも１つから前記オフガスを排出させることにより、当該オフガスを前記オフガス消費ユニットに途切れることなく供給し続けることを特徴とする、オフガス供給方法。
【請求項２】
前記オフガス消費ユニットに供給される前記オフガスは、流量制御が行われる、請求項１に記載のオフガス供給方法。
【請求項３】
前記流量制御は、前記各吸着塔と前記オフガス消費ユニットとの間を繋ぐガス流路に設けられた流量制御弁の開度を変化させることにより行われる、請求項２に記載のオフガス供給方法。
【請求項４】
前記オフガス消費ユニットは、前記混合ガスが製造される改質手段の燃焼部を構成している、請求項１に記載のオフガス供給方法。
【請求項５】
前記目的ガスは、水素ガスであり、前記混合ガスは、水素ガスと、水素ガス以外の可燃性ガス成分とを含む、請求項１に記載のオフガス供給方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１６１４４４（Ｐ２０１１−１６１４４４Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０２９８８（Ｐ２０１１−１０２９８８）
【出願日】平成２３年５月２日（２０１１．５．２）
【分割の表示】特願２００５−５０２８３３（Ｐ２００５−５０２８３３）の分割
【原出願日】平成１６年２月１６日（２００４．２．１６）
【出願人】（０００１９５６６１）住友精化株式会社 (352)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２日（２０１１．５．２）
【分割の表示】特願２００５−５０２８３３（Ｐ２００５−５０２８３３）の分割
【原出願日】平成１６年２月１６日（２００４．２．１６）
【出願人】（０００１９５６６１）住友精化株式会社 (352)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]