圧力スイング吸着法によるガス分離方法
【課題】圧力スイング吸着法により混合ガスから特定のガス成分を高濃度、高回収率で分離することができるガス分離方法を提供する。
【解決手段】混合ガス流路を直列に繋げた複数の吸着塔で吸着工程（A）が行われるようにするとともに、各吸着塔で行われる工程は、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程（a）から上流側の吸着工程（a）に順次移行し、最上流側の吸着工程（a）を経てパージ工程（B）、脱着工程（C）に順次移行した後、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行するサイクルからなるようにし、且つ、パージ工程（B）にある吸着塔から排出されるガスg１を、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔x2に導入する。
【解決手段】混合ガス流路を直列に繋げた複数の吸着塔で吸着工程（A）が行われるようにするとともに、各吸着塔で行われる工程は、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程（a）から上流側の吸着工程（a）に順次移行し、最上流側の吸着工程（a）を経てパージ工程（B）、脱着工程（C）に順次移行した後、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行するサイクルからなるようにし、且つ、パージ工程（B）にある吸着塔から排出されるガスg１を、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔x2に導入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力スイング吸着法により混合ガスから特定のガス成分を分離する方法に関するものであり、特に、高炉ガスから二酸化炭素や一酸化炭素を分離するのに好適なガス分離方法である。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所においては、コークス炉、高炉、転炉などの設備から副生ガスと呼ばれるガスが発生し、このガスには、水素、一酸化炭素、メタンといった燃料として利用可能なガス成分のほかに、窒素、二酸化炭素が含まれている。これらの副生ガスは、その大部分が発電所や加熱炉などで燃料（燃焼によって発生する熱を利用する用途）として使用されているが、上述したように窒素や二酸化炭素といったガス成分を含むため、体積当たりの熱量は７００〜４５００kcal／Ｎｍ３程度であり、一般的な燃料ガスであるプロパンガスや天然ガスに比べて熱量は低い。特に、高炉ガスの場合は、窒素が５０〜５５体積％程度、二酸化炭素が２０〜２３体積％程度含まれているため、体積当たりの熱量は７００kcal／Ｎｍ３程度しかない。このため、高炉ガス単独では熱量が不十分であることから、他の熱量の高い副生ガスや天然ガスを混合することで、体積当たりの熱量を高めて使用することも多い。
【０００３】
以上のことから、高炉ガスを燃料として有効利用するためには、高炉ガスから窒素や二酸化炭素を分離除去し、ガスの体積当りの熱量を高めることが好ましい。また、昨今における二酸化炭素排出削減の要請から、高炉ガス中の二酸化炭素を分離回収する技術も求められている。
混合ガスから特定のガス成分を分離する方法として、圧力スイング吸着法（以下、ＰＳＡ法という）によるものがあり、製鉄所においても利用されている。このＰＳＡ法は、吸着剤に対するガス成分の吸着量がガス種およびその分圧によって異なることを利用した分離方法であるため、吸着剤に特定のガス成分を吸着させる工程（一般に「吸着工程」と呼ばれる）および吸着したガスを吸着剤から脱着させて吸着剤を再生させる工程（一般に「脱着工程」と呼ばれる）においてガスを加圧あるいは減圧することが必要になり、ＰＳＡ法の設備で消費される動力の大半はこのガスの加減圧によるものである。
【０００４】
また、ＰＳＡ法では吸着剤に吸着したガスの濃度を高めるために、吸着工程の後に、脱着工程で脱着したガスの一部を吸着剤に吸着させて、目的外のガス成分の吸着量を減らす工程（一般に「パージ工程」と呼ばれる）がある。このパージ工程は、目的とするガスの濃度を上げるのに有効であるが、脱着したガスが消費されるため、パージ工程で使用されるガス量の増大は、当然のことながらＰＳＡ法の設備で消費される動力の増加につながる。
【０００５】
したがって、ＰＳＡ法によるガス分離を低動力で効率的に行うためには、ガスの加圧および減圧を極力常圧付近に近づけること、分離する目的のガス成分を吸着剤にできるだけ多く吸着させることによりパージ工程で使用するガス量を減らすこと、などが求められる。
このような課題に対して、特許文献１には、吸着剤に目的ガス成分（吸着しようとするガス成分）をできるだけ多く吸着させるために、吸着工程が行われる複数の吸着塔の混合ガス（原ガス）流路を直列に繋ぎ、１基の吸着塔ではオフガスとして損失してしまう目的ガス成分を後段の吸着塔で吸着するようにした方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−０４６９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の方法では、混合ガス流路が直列に繋がった吸着塔のうち、１段目（混合ガス流れ方向で上流側）の吸着塔において、目的ガス成分の未吸着部分がなくなることにより、目的ガス成分を高濃度、高回収率で分離回収できる、としている。しかし、ＰＳＡ法によるガス分離は、目的ガス成分とその他のガス成分の吸着剤への吸着量が大きく異なる場合には有効であるが、吸着量の差があまり大きくない場合、例えば、同じ分圧での吸着量の差が１０倍以内の場合には、高い回収率が得られにくいという問題がある。特許文献１の方法は、このような問題をある程度は改善できるが、十分なものではない。
【０００８】
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、圧力スイング吸着法により混合ガスから特定のガス成分を分離する方法において、分離しようとする特定のガス成分とその他のガス成分の吸着剤への吸着量の差があまり大きくない場合であっても、混合ガスからその特定のガス成分を高濃度、高回収率で分離回収することができるガス分離方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、高炉ガスなどの混合ガスから二酸化炭素などのような特定のガス成分を分離するに当たり、混合ガス流路を直列に繋げた複数の吸着塔で吸着工程が行われるようにするとともに、パージ工程にある吸着塔から排出されるガスを、吸着工程が行われる吸着塔のうち、特定の吸着塔に導入することにより、目的ガス成分の濃度および回収率を高めることが可能であるとの知見を得た。
【００１０】
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］４基以上の吸着塔を有するガス分離設備において、圧力スイング吸着法により混合ガスから特定のガス成分を分離する方法であって、
下記（イ）〜（ハ）の条件を満足するように吸着工程（A）、パージ工程（B）および脱着工程（C）をそれぞれ行うとともに、パージ工程（B）にある吸着塔から排出されるガス（g１）を、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔（x2）に導入することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
（イ）ガス分離設備が有する吸着塔の数をｎ基とした場合、（ｎ−２）基の吸着塔において吸着工程（A）が行われ、残りの２基の吸着塔において、パージ工程（B）と脱着工程（C）がそれぞれ行われる。
（ロ）吸着工程（A）では、（ｎ−２）基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程（a）がそれぞれ行われる。
（ハ）各吸着塔で行われる工程は、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程（a）から上流側の吸着工程（a）に順次移行し、最上流側の吸着工程（a）を経てパージ工程（B）、脱着工程（C）に順次移行した後、再び吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行するサイクルからなる。
【００１１】
［2］上記［1］のガス分離方法において、（ｎ−２）基の吸着塔において吸着工程（A）を行う前に、パージ工程（B）にある吸着塔から排出されるガス（g１）を吸着塔（x2）に導入することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
［3］上記［1］または［2］のガス分離方法において、吸着塔（x2）を通過したガス（g１）を、その下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔に順に導入することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかのガス分離方法において、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔（x1）に加圧された混合ガスを導入し、該吸着塔（x1）での吸着工程（a）が終了した後、次工程であるパージ工程（B）に移行する前に、吸着塔（x1）内を減圧し、この減圧の際に吸着塔（x1）から排出されるガス（g２）を、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われた吸着塔（x2）に導入することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
［5］上記［4］のガス分離方法において、吸着塔（x2）を通過したガス（g２）を、その下流側で吸着工程（a）が行われた吸着塔に順に導入することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
［6］上記［1］〜［5］のいずれかのガス分離方法において、混合ガスが高炉ガスであり、高炉ガスから二酸化炭素および／または一酸化炭素を分離することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧力スイング吸着法により混合ガスから特定のガス成分を分離する方法において、分離しようとする特定のガス成分とその他のガス成分の吸着剤への吸着量の差があまり大きくない場合であっても、混合ガスからその特定のガス成分を高濃度、高回収率で分離回収することができる。このため高炉ガスから二酸化炭素や一酸化炭素を分離回収する方法として特に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の基本となる操業形態を、５基の吸着塔を有するガス分離設備で実施する場合を例に段階的に示す説明図
【図２】図１において、混合ガス流路が直列に繋がれて吸着工程（A）が行われる３基の吸着塔を混合ガス流れ方向で上流側からx1、x2、x3とした場合、各吸着塔x1〜x3の高さ方向での「吸着された目的ガス成分濃度分布」を模式的に示す説明図
【図３】図１において、混合ガス流路が直列に繋がれて吸着工程（A）が行われる３基の吸着塔を混合ガス流れ方向で上流側からx1、x2、x3とした場合、各吸着塔x1〜x3の高さ方向での「気相中の目的ガス成分濃度分布」を模式的に示す説明図
【図４】本発明の一実施形態を図１（iv）の場合を例に示す説明図
【図５】本発明の他の実施形態を図１（iv）から図１（ｖ）に移行する場合を例に示す説明図
【図６】本発明の実施に供されるガス分離設備の一実施形態であって、図４（Ｉ）の状態を示す説明図
【図７】本発明の実施に供されるガス分離設備の一実施形態であって、図４（II）の状態を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の圧力スイング吸着法によるガス分離方法は、４基以上の吸着塔を有するガス分離設備において行われるものであり、下記（イ）〜（ハ）の条件を満足するように吸着工程（A）、パージ工程（B）および脱着工程（C）をそれぞれ行うことを基本とする。
（イ）ガス分離設備が有する吸着塔の数をｎ基とした場合、（ｎ−２）基の吸着塔において吸着工程（A）が行われ、残りの２基の吸着塔において、パージ工程（B）と脱着工程（C）がそれぞれ行われる。
（ロ）吸着工程（A）では、（ｎ−２）基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程（a）がそれぞれ行われる。
（ハ）各吸着塔で行われる工程は、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程（a）から上流側の吸着工程（a）に順次移行し、最上流側の吸着工程（a）を経てパージ工程（B）、脱着工程（C）に順次移行した後、再び吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行するサイクルからなる。
【００１５】
ここで、各吸着塔には、混合ガス（原ガス）から分離すべき特定のガス成分（以下、「目的ガス成分」という）の吸着に適した吸着剤が充填されており、吸着工程（A）が行われる吸着塔では、導入された混合ガス中の目的ガス成分が吸着剤に吸着され、吸着されなかったガス成分は塔外に排出される。なお、この吸着工程（A）では、分離対象外であるガス成分（以下、「目的外ガス成分」という）の一部も不可避的に吸着される。また、脱着工程（C）が行われる吸着塔では、真空ポンプなどにより塔内を減圧することにより、吸着されている目的ガス成分が脱着され、回収ガスとして取り出される。
例えば、高炉ガスから二酸化炭素や一酸化炭素を吸着分離する場合においては、吸着工程（A）を大気圧＋α程度の圧力で行い、脱着工程（C）を大気圧より低い圧力で行うのが一般的である。その理由は、脱着時の減圧圧力がなるべく低いほうが目的ガス成分の濃度および回収率が高くなるからである。
【００１６】
また、パージ工程（B）が行われる吸着塔では、脱着工程（C）にある吸着塔から取り出された回収ガス（目的ガス成分）の一部を導入することで、吸着されている目的外ガス成分と置換してこれを排出し、目的ガス成分の吸着濃度を高める。このパージ工程（B）では、塔内に導入して吸着剤に吸着させるガス量が多いほど目的ガス成分の濃度は高くなるが、得られるガス量当りの必要動力（動力原単位）は大きくなる。
各吸着塔において上記のような工程が順繰りに行われることにより、混合ガス（原ガス）を連続的に処理して目的ガス成分を分離回収する。
なお、以下に説明する図では、各吸着塔でのガス導入・排出は、ガスが塔下部から導入され、塔内を通過した後、塔上部から排出されるようになっているが、ガス導入・排出方向はこれに限られるものではない。
【００１７】
上記のような本発明のガス分離方法の基本となる操業形態を、図１に基づいて説明する。図１は、５基の吸着塔１〜５を有するガス分離設備による操業例を段階的に示しており、操業中は、５基の吸着塔のうち３基の吸着塔において吸着工程（A）が行われ、残りの２基の吸着塔においてパージ工程（B）と脱着工程（C）がそれぞれ行われる（上記（イ）の条件）。また、図１（ｉ）〜（ｖ）に示されるように、吸着工程（A）では、３基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガス（原ガス）が各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程（a）がそれぞれ行われる（上記（ロ）の条件）。
【００１８】
また、各吸着塔１〜５では、次のようなサイクルで各工程が行われる。まず、図１（ｉ）に示すように、混合ガス流れ方向で上流側から吸着塔３、吸着塔２、吸着塔１の順に混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、吸着塔１〜３で吸着工程（A）が行われ、吸着塔４でパージ工程（B）が、吸着塔５で脱着工程（C）がそれぞれ行われるとすると、図１（ｉ）の各工程が終了した後、工程の切換が行われ、図１（ii）に示すように、吸着塔５が混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行し、吸着塔３がパージ工程（B）に、吸着塔４が脱着工程（C）にそれぞれ移行し、混合ガス流れ方向で上流側から吸着塔２、吸着塔１、吸着塔５の順に混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定される。図１（ii）の各工程が終了した後、工程の切換が行われ、図１（iii）に示すように、吸着塔４が混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行し、吸着塔２がパージ工程（B）に、吸着塔３が脱着工程（C）にそれぞれ移行し、混合ガス流れ方向で上流側から吸着塔１、吸着塔５、吸着塔４の順に混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定される。図１（iii）の各工程が終了した後、工程の切換が行われ、図１（iv）に示すように、吸着塔３が混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行し、吸着塔１がパージ工程（B）に、吸着塔２が脱着工程（C）にそれぞれ移行し、混合ガス流れ方向で上流側から吸着塔５、吸着塔４、吸着塔３の順に混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定される。図１（iv）の各工程が終了した後、工程の切換が行われ、図１（ｖ）に示すように、吸着塔２が混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行し、吸着塔５がパージ工程（B）に、吸着塔１が脱着工程（C）にそれぞれ移行し、混合ガス流れ方向で上流側から吸着塔４、吸着塔３、吸着塔２の順に混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定される。そして、図１（ｖ）の各工程が終了した後、工程の切換が行われ、図１（ｉ）に示す工程に戻る。つまり、各吸着塔で行われる工程は、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程（a）から上流側の吸着工程（a）に順次移行し、最上流側の吸着工程（a）を経てパージ工程（B）、脱着工程（C）に順次移行した後、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行するサイクルからなる（上記（ハ）の条件）。
【００１９】
図１において、混合ガス流路が直列に繋がれて吸着工程（A）が行われる３基の吸着塔を、混合ガス流れ方向で上流側からx1、x2、x3とした場合、各吸着塔x1〜x3の高さ方向での「吸着された目的ガス成分濃度分布」を図２に模式的に示す。また、各吸着塔x1〜x3の高さ方向での「気相（吸着していないガス）中の目的ガス成分濃度分布」を図３に示す。
図２によれば、吸着塔x1、x2では未だ目的ガス成分の吸着は飽和濃度に到達していないが、吸着塔x3ではほぼ飽和濃度に到達している。このように複数段階の吸着工程（a）を経ることにより、吸着剤への目的ガス成分の吸着量を飽和濃度にまで高めることができるために吸着剤の利用効率が良くなり、効率的な目的ガス成分の回収が可能になる。
【００２０】
本発明では、以上のような基本となる操業形態において、パージ工程（B）にある吸着塔から排出されるガスg１（以下、「パージ排ガスg１」という）を、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔x2に導入するものである。パージ排ガスg１を吸着塔x2に導入するタイミングは任意であるが、通常、吸着工程（a）が行われる前に吸着塔x2に導入し、しかる後、吸着塔x2を含めた複数の吸着塔で吸着工程（A）が行われる。
図４は、図１（iv）の場合を例に、その一実施形態を示している。図において、６は真空ポンプである。図４（Ｉ）に示すように、吸着塔２で脱着工程（C）が行われ、その回収ガスの一部が吸着塔１に送られてパージ工程（B）が行われる。そして、そのパージ排ガスg１が、吸着工程（A）が行われる吸着塔３〜５のうち混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる「吸着塔x2」、すなわち吸着塔４に導入される。吸着塔４を通過したパージ排ガスg１は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔、すなわち吸着塔３（吸着塔x3）に導入された後、吸着排ガスとして系外に排出される。このパージ工程（B）が終了後、図４（II）に示すように、混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定された吸着塔５（吸着塔x1）、吸着塔４（吸着塔x2）、吸着塔３（吸着塔x3）で吸着工程（a）が行われる。
【００２１】
上記のように、パージ排ガスg１を、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔x2に導入する理由は、以下のとおりである。吸着塔x1〜x3内の吸着していないガス（混合ガス）中の目的ガス成分濃度は、図３に示されるように吸着塔x3出口側は低く、吸着塔x1入口側では混合ガスの濃度であるが、パージ排ガスg１に含まれる目的ガス成分の濃度は、図３に示すように吸着塔x2出口での目的ガス成分濃度に近い。そのため、パージ排ガスg１を吸着塔x2に導入することが、吸着剤への目的ガス成分の吸着状態を乱す可能性が最も少ないと言える。仮に、吸着塔x3にパージ排ガスg１を導入したとすると、目的ガス成分は吸着するが、その後に目的ガス成分濃度が低い（目的ガス成分の分圧が低い）ガスが吸着塔x2から流れ込むため、目的ガス成分が吸着剤から脱着してしまう。一方、吸着塔x1にパージ排ガスg１を導入したとすると、高濃度で吸着していた目的ガス成分がパージ排ガスg１に脱着してしまう。
【００２２】
また、本発明の好ましい実施形態では、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔x1に、圧縮機などで加圧した混合ガス（原ガス）を導入し、吸着塔内を加圧状態とする。このようにすることで、目的ガス成分のガス分圧も高くなるため、目的ガス成分をより効率的に吸着することができる。
このような好ましい実施形態では、吸着塔x1での吸着工程（a）が終了した後、次工程であるパージ工程（B）に移行する前に、吸着塔x1内をパージ工程を行うための圧力まで減圧（自然放圧または真空ポンプなどによる減圧）する必要があるが、その減圧の際に吸着塔x1から排出されるガスg２を、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われた吸着塔x2（すなわち、次の吸着工程（A）において、混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔）に導入する。
【００２３】
図５は、図１（iv）から図１（ｖ）に移行する場合を例に、その一実施形態を示している。図５（Ｉ），（II）は図１（iv）の段階、図５（II）は図１（ｖ）の段階をそれぞれ示している。
図５（Ｉ）に示されるように、吸着工程（A）が行われる吸着塔５〜３のうち混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔５（x1）に対して、圧縮機７（またはブロワ）で加圧された混合ガスを導入することにより吸着工程（Ａ）が行われる。吸着塔５（x1）での吸着工程（a）が終了した後、次工程であるパージ工程（B）に移行する前に、図５（II）に示されるように、吸着塔５内をパージ工程を行うための圧力まで減圧し（なお、この実施形態では自然放圧による減圧であるが、真空ポンプなどで減圧してもよい）、その減圧の際に吸着塔５（x1）から排出されるガスg２を、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われた吸着塔４（x2）に導入する。この吸着塔４（x2）を通過したガスg２は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われた吸着塔、すなわち吸着塔３（x3）に導入された後、吸着排ガスとして系外に排出される。しかる後、図５（III）に示されるように、吸着塔５がパージ工程（B）に移行し、そのパージ排ガスg１が、次の吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔３（x2）に導入される。この吸着塔３（x2）を通過したパージ排ガスg１は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔、すなわち吸着塔２（x3）に導入された後、吸着排ガスとして系外に排出される。
【００２４】
以上のような実施形態では、図５（Ｉ）の吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、最上流側の吸着塔x1以外の吸着塔x2，x3は、パージ工程と同程度の圧力（通常、常圧）であることが好ましい。すなわち、図５（Ｉ）に示すように吸着工程（A）にある吸着塔のうち、吸着塔x1は加圧状態とするが、吸着塔x1から排出される原料ガスは背圧弁８で常圧まで減圧された後、吸着塔x2，x3側へ流れるようにすることが好ましい。これにより、吸着工程（A）が終了した後に吸着塔x1を減圧する際に、吸着塔x1から吸着塔x2にガスg２を自然に移行させることができる。なお、この減圧工程を効率的に進めるために、真空ポンプで積極的に吸着塔x1からガスg２を排出し、この真空ポンプの排出圧で吸着塔x2に導入するようにしてもよい。
【００２５】
図５（II）に示すように、吸着工程（a）終了後、パージ工程（B）に移行する前の減圧の際に吸着塔x1から排出されるガスg２を、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われた吸着塔x2に導入する理由は、以下のとおりである。吸着塔x1〜x3内の吸着していないガス（混合ガス）中の目的ガス成分濃度は、図３に示されるように吸着塔x3出口側は低く、吸着塔x1入口側では混合ガスの濃度であるが、吸着工程（a）終了後の減圧の際に吸着塔x1から排出されるガスg２に含まれる目的ガス成分濃度は、図３に示すように吸着塔x2入口での目的ガス成分濃度に近い。そのため、ガスg２を吸着塔x2に導入することが、吸着剤への目的ガス成分の吸着状態を乱す可能性が最も少ないと言える。仮に、ガスg２を吸着塔x3に導入したとすると、目的ガス成分は吸着するが、その後に目的ガス成分濃度が低い（目的ガス成分の分圧が低い）ガスが吸着塔x2から流れ込むため、目的ガス成分は吸着剤から脱着してしまう。
【００２６】
図６および図７は、本発明の実施に供されるガス分離設備の一実施形態において、吸着塔１〜５に対するガス配管とこれに設けられる開閉弁を示しており、ガスが供給されているガス配管を太線で表示してある。したがって、太線で表示したガス配管に設けられた開閉弁は開状態であり、それ以外の開閉弁は閉状態である。
図６は図４（Ｉ）の状態であり、脱着工程（C）にある吸着塔２からの回収ガスの一部が吸着塔１に送られてパージ工程（B）が行われ、そのパージ排ガスg１が、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔４に導入される。この吸着塔４を通過したパージ排ガスg１は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔３に導入された後、吸着排ガスとして系外に排出される。図７は図４（II）の状態であり、吸着塔１でのパージ工程（B）が終了後、混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定された吸着塔５、吸着塔４、吸着塔３で吸着工程（A）が行われ、吸着塔２では引き続き脱着工程（C）が行われる。
なお、本発明の実施に供されるガス分離設備は、４基以上の吸着塔を備えるものであればよく、吸着塔の数は任意である。
【実施例】
【００２７】
・比較例１
４基の吸着塔を備えたＰＳＡ法によるガス分離装置（試験装置）を用い、高炉ガスを模擬した原ガス（二酸化炭素：２２vol％、一酸化炭素：２３vol％、窒素：５２vol％、水素：３vol％）から二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
この比較例の吸着工程では、２基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程がそれぞれ行われるようにした。各吸着塔内（内径４０ｍｍφ×高さ５００ｍｍ）には、Ｘ型ゼオライト（東ソー（株）製「ゼオラムＦ−９」）を５００ｇ充填した。１回の各工程での時間は、吸着工程：２１０秒、パージ工程：５０秒（１６０秒間待機状態）、脱着工程：２１０秒とした。原ガス量は３．９ＮＬ／分とし、圧力１１０ｋＰａにて吸着塔に導入した。
本実施例では、パージ工程で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が９９vol％以上となるように調整した。脱着工程における最終圧力は７ｋＰａとした。この比較例では、二酸化炭素の回収率は７５vol％であった。
【００２８】
・本発明例１
４基の吸着塔を備えたＰＳＡ法によるガス分離装置（試験装置）を用い、比較例１と同様の原ガスから二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
各吸着塔の構成、１回の各工程での時間、原ガス量、脱着圧力は比較例と同様にしたが、パージ工程（B）は吸着工程（A）の前に実施し、そのパージ排ガスg１を、混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔に導入した。
本実施例では、パージ工程（B）で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が９９vol％以上となるように調整した。この発明例では、二酸化炭素の回収率は７９vol％であった。
【００２９】
・比較例２
５基の吸着塔を備えたＰＳＡ法によるガス分離装置（試験装置）を用い、高炉ガスを模擬した原ガス（二酸化炭素：２２vol％、一酸化炭素：２３vol％、窒素：５２vol％、水素：３vol％）から二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
この比較例の吸着工程では、３基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程がそれぞれ行われるようにした。各吸着塔内（内径４０ｍｍφ×高さ５００ｍｍ）には、Ｘ型ゼオライト（東ソー（株）製「ゼオラムＦ−９」）を５００ｇ充填した。１回の各工程での時間は、吸着工程：２１０秒、パージ工程：９５秒（１１５秒間待機状態）、脱着工程：２１０秒とした。原ガス量は８．４ＮＬ／分とし、圧力１５０ｋＰａにて吸着塔に導入した。
本実施例では、パージ工程で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が９９vol％以上となるように調整した。脱着工程における最終圧力は１０ｋＰａとした。この比較例では、二酸化炭素の回収率は６０vol％であった。
【００３０】
・本発明例２
５基の吸着塔を備えたＰＳＡ法によるガス分離装置（試験装置）を用い、比較例２と同様の原ガスから二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
各吸着塔の構成、１回の各工程での時間、原ガス量、脱着圧力は比較例と同様にしたが、パージ工程（B）は吸着工程（A）の前に実施し、そのパージ排ガスg１を、混合ガス流れ方向で最上流側から二番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔に導入した。この吸着塔を通過したパージ排ガスg１は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔に導入された。
本実施例では、パージ工程（B）で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が９９vol％以上となるように調整した。この発明例では、二酸化炭素の回収率は６４vol％であった。
【００３１】
・本発明例３
５基の吸着塔を備えたＰＳＡ法によるガス分離装置（試験装置）を用い、比較例２と同様の原ガスから二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
各吸着塔の構成、１回の各工程での時間、原ガス量、脱着圧力は比較例と同様にしたが、パージ工程（B）は吸着工程（A）の前に実施し、そのパージ排ガスg１を、混合ガス流れ方向で最上流側から二番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔に導入した。この吸着塔を通過したパージ排ガスg１は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔に導入された。
さらに、吸着工程（a）終了後、次の工程であるパージ工程（B）に移行する前の吸着塔を減圧（自然放圧）し、その減圧で吸着塔から排出されたガスg2を、最上流側から二番目の吸着工程（a）が行われた吸着塔（すなわち、次の吸着工程（A）において最上流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔）に導入した。この吸着塔を通過したパージ排ガスg１は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われた吸着塔に導入された。
本実施例では、パージ工程（B）で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が９９vol％以上となるように調整した。この発明例では、二酸化炭素の回収率は６７vol％であった。
【符号の説明】
【００３２】
１，２，３，４，５ 吸着塔
６ 真空ポンプ
７ 圧縮機
８ 背圧弁
x1，x2，x3 吸着塔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力スイング吸着法により混合ガスから特定のガス成分を分離する方法に関するものであり、特に、高炉ガスから二酸化炭素や一酸化炭素を分離するのに好適なガス分離方法である。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所においては、コークス炉、高炉、転炉などの設備から副生ガスと呼ばれるガスが発生し、このガスには、水素、一酸化炭素、メタンといった燃料として利用可能なガス成分のほかに、窒素、二酸化炭素が含まれている。これらの副生ガスは、その大部分が発電所や加熱炉などで燃料（燃焼によって発生する熱を利用する用途）として使用されているが、上述したように窒素や二酸化炭素といったガス成分を含むため、体積当たりの熱量は７００〜４５００kcal／Ｎｍ３程度であり、一般的な燃料ガスであるプロパンガスや天然ガスに比べて熱量は低い。特に、高炉ガスの場合は、窒素が５０〜５５体積％程度、二酸化炭素が２０〜２３体積％程度含まれているため、体積当たりの熱量は７００kcal／Ｎｍ３程度しかない。このため、高炉ガス単独では熱量が不十分であることから、他の熱量の高い副生ガスや天然ガスを混合することで、体積当たりの熱量を高めて使用することも多い。
【０００３】
以上のことから、高炉ガスを燃料として有効利用するためには、高炉ガスから窒素や二酸化炭素を分離除去し、ガスの体積当りの熱量を高めることが好ましい。また、昨今における二酸化炭素排出削減の要請から、高炉ガス中の二酸化炭素を分離回収する技術も求められている。
混合ガスから特定のガス成分を分離する方法として、圧力スイング吸着法（以下、ＰＳＡ法という）によるものがあり、製鉄所においても利用されている。このＰＳＡ法は、吸着剤に対するガス成分の吸着量がガス種およびその分圧によって異なることを利用した分離方法であるため、吸着剤に特定のガス成分を吸着させる工程（一般に「吸着工程」と呼ばれる）および吸着したガスを吸着剤から脱着させて吸着剤を再生させる工程（一般に「脱着工程」と呼ばれる）においてガスを加圧あるいは減圧することが必要になり、ＰＳＡ法の設備で消費される動力の大半はこのガスの加減圧によるものである。
【０００４】
また、ＰＳＡ法では吸着剤に吸着したガスの濃度を高めるために、吸着工程の後に、脱着工程で脱着したガスの一部を吸着剤に吸着させて、目的外のガス成分の吸着量を減らす工程（一般に「パージ工程」と呼ばれる）がある。このパージ工程は、目的とするガスの濃度を上げるのに有効であるが、脱着したガスが消費されるため、パージ工程で使用されるガス量の増大は、当然のことながらＰＳＡ法の設備で消費される動力の増加につながる。
【０００５】
したがって、ＰＳＡ法によるガス分離を低動力で効率的に行うためには、ガスの加圧および減圧を極力常圧付近に近づけること、分離する目的のガス成分を吸着剤にできるだけ多く吸着させることによりパージ工程で使用するガス量を減らすこと、などが求められる。
このような課題に対して、特許文献１には、吸着剤に目的ガス成分（吸着しようとするガス成分）をできるだけ多く吸着させるために、吸着工程が行われる複数の吸着塔の混合ガス（原ガス）流路を直列に繋ぎ、１基の吸着塔ではオフガスとして損失してしまう目的ガス成分を後段の吸着塔で吸着するようにした方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−０４６９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の方法では、混合ガス流路が直列に繋がった吸着塔のうち、１段目（混合ガス流れ方向で上流側）の吸着塔において、目的ガス成分の未吸着部分がなくなることにより、目的ガス成分を高濃度、高回収率で分離回収できる、としている。しかし、ＰＳＡ法によるガス分離は、目的ガス成分とその他のガス成分の吸着剤への吸着量が大きく異なる場合には有効であるが、吸着量の差があまり大きくない場合、例えば、同じ分圧での吸着量の差が１０倍以内の場合には、高い回収率が得られにくいという問題がある。特許文献１の方法は、このような問題をある程度は改善できるが、十分なものではない。
【０００８】
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、圧力スイング吸着法により混合ガスから特定のガス成分を分離する方法において、分離しようとする特定のガス成分とその他のガス成分の吸着剤への吸着量の差があまり大きくない場合であっても、混合ガスからその特定のガス成分を高濃度、高回収率で分離回収することができるガス分離方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、高炉ガスなどの混合ガスから二酸化炭素などのような特定のガス成分を分離するに当たり、混合ガス流路を直列に繋げた複数の吸着塔で吸着工程が行われるようにするとともに、パージ工程にある吸着塔から排出されるガスを、吸着工程が行われる吸着塔のうち、特定の吸着塔に導入することにより、目的ガス成分の濃度および回収率を高めることが可能であるとの知見を得た。
【００１０】
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］４基以上の吸着塔を有するガス分離設備において、圧力スイング吸着法により混合ガスから特定のガス成分を分離する方法であって、
下記（イ）〜（ハ）の条件を満足するように吸着工程（A）、パージ工程（B）および脱着工程（C）をそれぞれ行うとともに、パージ工程（B）にある吸着塔から排出されるガス（g１）を、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔（x2）に導入することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
（イ）ガス分離設備が有する吸着塔の数をｎ基とした場合、（ｎ−２）基の吸着塔において吸着工程（A）が行われ、残りの２基の吸着塔において、パージ工程（B）と脱着工程（C）がそれぞれ行われる。
（ロ）吸着工程（A）では、（ｎ−２）基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程（a）がそれぞれ行われる。
（ハ）各吸着塔で行われる工程は、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程（a）から上流側の吸着工程（a）に順次移行し、最上流側の吸着工程（a）を経てパージ工程（B）、脱着工程（C）に順次移行した後、再び吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行するサイクルからなる。
【００１１】
［2］上記［1］のガス分離方法において、（ｎ−２）基の吸着塔において吸着工程（A）を行う前に、パージ工程（B）にある吸着塔から排出されるガス（g１）を吸着塔（x2）に導入することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
［3］上記［1］または［2］のガス分離方法において、吸着塔（x2）を通過したガス（g１）を、その下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔に順に導入することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかのガス分離方法において、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔（x1）に加圧された混合ガスを導入し、該吸着塔（x1）での吸着工程（a）が終了した後、次工程であるパージ工程（B）に移行する前に、吸着塔（x1）内を減圧し、この減圧の際に吸着塔（x1）から排出されるガス（g２）を、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われた吸着塔（x2）に導入することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
［5］上記［4］のガス分離方法において、吸着塔（x2）を通過したガス（g２）を、その下流側で吸着工程（a）が行われた吸着塔に順に導入することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
［6］上記［1］〜［5］のいずれかのガス分離方法において、混合ガスが高炉ガスであり、高炉ガスから二酸化炭素および／または一酸化炭素を分離することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧力スイング吸着法により混合ガスから特定のガス成分を分離する方法において、分離しようとする特定のガス成分とその他のガス成分の吸着剤への吸着量の差があまり大きくない場合であっても、混合ガスからその特定のガス成分を高濃度、高回収率で分離回収することができる。このため高炉ガスから二酸化炭素や一酸化炭素を分離回収する方法として特に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の基本となる操業形態を、５基の吸着塔を有するガス分離設備で実施する場合を例に段階的に示す説明図
【図２】図１において、混合ガス流路が直列に繋がれて吸着工程（A）が行われる３基の吸着塔を混合ガス流れ方向で上流側からx1、x2、x3とした場合、各吸着塔x1〜x3の高さ方向での「吸着された目的ガス成分濃度分布」を模式的に示す説明図
【図３】図１において、混合ガス流路が直列に繋がれて吸着工程（A）が行われる３基の吸着塔を混合ガス流れ方向で上流側からx1、x2、x3とした場合、各吸着塔x1〜x3の高さ方向での「気相中の目的ガス成分濃度分布」を模式的に示す説明図
【図４】本発明の一実施形態を図１（iv）の場合を例に示す説明図
【図５】本発明の他の実施形態を図１（iv）から図１（ｖ）に移行する場合を例に示す説明図
【図６】本発明の実施に供されるガス分離設備の一実施形態であって、図４（Ｉ）の状態を示す説明図
【図７】本発明の実施に供されるガス分離設備の一実施形態であって、図４（II）の状態を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の圧力スイング吸着法によるガス分離方法は、４基以上の吸着塔を有するガス分離設備において行われるものであり、下記（イ）〜（ハ）の条件を満足するように吸着工程（A）、パージ工程（B）および脱着工程（C）をそれぞれ行うことを基本とする。
（イ）ガス分離設備が有する吸着塔の数をｎ基とした場合、（ｎ−２）基の吸着塔において吸着工程（A）が行われ、残りの２基の吸着塔において、パージ工程（B）と脱着工程（C）がそれぞれ行われる。
（ロ）吸着工程（A）では、（ｎ−２）基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程（a）がそれぞれ行われる。
（ハ）各吸着塔で行われる工程は、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程（a）から上流側の吸着工程（a）に順次移行し、最上流側の吸着工程（a）を経てパージ工程（B）、脱着工程（C）に順次移行した後、再び吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行するサイクルからなる。
【００１５】
ここで、各吸着塔には、混合ガス（原ガス）から分離すべき特定のガス成分（以下、「目的ガス成分」という）の吸着に適した吸着剤が充填されており、吸着工程（A）が行われる吸着塔では、導入された混合ガス中の目的ガス成分が吸着剤に吸着され、吸着されなかったガス成分は塔外に排出される。なお、この吸着工程（A）では、分離対象外であるガス成分（以下、「目的外ガス成分」という）の一部も不可避的に吸着される。また、脱着工程（C）が行われる吸着塔では、真空ポンプなどにより塔内を減圧することにより、吸着されている目的ガス成分が脱着され、回収ガスとして取り出される。
例えば、高炉ガスから二酸化炭素や一酸化炭素を吸着分離する場合においては、吸着工程（A）を大気圧＋α程度の圧力で行い、脱着工程（C）を大気圧より低い圧力で行うのが一般的である。その理由は、脱着時の減圧圧力がなるべく低いほうが目的ガス成分の濃度および回収率が高くなるからである。
【００１６】
また、パージ工程（B）が行われる吸着塔では、脱着工程（C）にある吸着塔から取り出された回収ガス（目的ガス成分）の一部を導入することで、吸着されている目的外ガス成分と置換してこれを排出し、目的ガス成分の吸着濃度を高める。このパージ工程（B）では、塔内に導入して吸着剤に吸着させるガス量が多いほど目的ガス成分の濃度は高くなるが、得られるガス量当りの必要動力（動力原単位）は大きくなる。
各吸着塔において上記のような工程が順繰りに行われることにより、混合ガス（原ガス）を連続的に処理して目的ガス成分を分離回収する。
なお、以下に説明する図では、各吸着塔でのガス導入・排出は、ガスが塔下部から導入され、塔内を通過した後、塔上部から排出されるようになっているが、ガス導入・排出方向はこれに限られるものではない。
【００１７】
上記のような本発明のガス分離方法の基本となる操業形態を、図１に基づいて説明する。図１は、５基の吸着塔１〜５を有するガス分離設備による操業例を段階的に示しており、操業中は、５基の吸着塔のうち３基の吸着塔において吸着工程（A）が行われ、残りの２基の吸着塔においてパージ工程（B）と脱着工程（C）がそれぞれ行われる（上記（イ）の条件）。また、図１（ｉ）〜（ｖ）に示されるように、吸着工程（A）では、３基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガス（原ガス）が各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程（a）がそれぞれ行われる（上記（ロ）の条件）。
【００１８】
また、各吸着塔１〜５では、次のようなサイクルで各工程が行われる。まず、図１（ｉ）に示すように、混合ガス流れ方向で上流側から吸着塔３、吸着塔２、吸着塔１の順に混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、吸着塔１〜３で吸着工程（A）が行われ、吸着塔４でパージ工程（B）が、吸着塔５で脱着工程（C）がそれぞれ行われるとすると、図１（ｉ）の各工程が終了した後、工程の切換が行われ、図１（ii）に示すように、吸着塔５が混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行し、吸着塔３がパージ工程（B）に、吸着塔４が脱着工程（C）にそれぞれ移行し、混合ガス流れ方向で上流側から吸着塔２、吸着塔１、吸着塔５の順に混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定される。図１（ii）の各工程が終了した後、工程の切換が行われ、図１（iii）に示すように、吸着塔４が混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行し、吸着塔２がパージ工程（B）に、吸着塔３が脱着工程（C）にそれぞれ移行し、混合ガス流れ方向で上流側から吸着塔１、吸着塔５、吸着塔４の順に混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定される。図１（iii）の各工程が終了した後、工程の切換が行われ、図１（iv）に示すように、吸着塔３が混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行し、吸着塔１がパージ工程（B）に、吸着塔２が脱着工程（C）にそれぞれ移行し、混合ガス流れ方向で上流側から吸着塔５、吸着塔４、吸着塔３の順に混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定される。図１（iv）の各工程が終了した後、工程の切換が行われ、図１（ｖ）に示すように、吸着塔２が混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行し、吸着塔５がパージ工程（B）に、吸着塔１が脱着工程（C）にそれぞれ移行し、混合ガス流れ方向で上流側から吸着塔４、吸着塔３、吸着塔２の順に混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定される。そして、図１（ｖ）の各工程が終了した後、工程の切換が行われ、図１（ｉ）に示す工程に戻る。つまり、各吸着塔で行われる工程は、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程（a）から上流側の吸着工程（a）に順次移行し、最上流側の吸着工程（a）を経てパージ工程（B）、脱着工程（C）に順次移行した後、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行するサイクルからなる（上記（ハ）の条件）。
【００１９】
図１において、混合ガス流路が直列に繋がれて吸着工程（A）が行われる３基の吸着塔を、混合ガス流れ方向で上流側からx1、x2、x3とした場合、各吸着塔x1〜x3の高さ方向での「吸着された目的ガス成分濃度分布」を図２に模式的に示す。また、各吸着塔x1〜x3の高さ方向での「気相（吸着していないガス）中の目的ガス成分濃度分布」を図３に示す。
図２によれば、吸着塔x1、x2では未だ目的ガス成分の吸着は飽和濃度に到達していないが、吸着塔x3ではほぼ飽和濃度に到達している。このように複数段階の吸着工程（a）を経ることにより、吸着剤への目的ガス成分の吸着量を飽和濃度にまで高めることができるために吸着剤の利用効率が良くなり、効率的な目的ガス成分の回収が可能になる。
【００２０】
本発明では、以上のような基本となる操業形態において、パージ工程（B）にある吸着塔から排出されるガスg１（以下、「パージ排ガスg１」という）を、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔x2に導入するものである。パージ排ガスg１を吸着塔x2に導入するタイミングは任意であるが、通常、吸着工程（a）が行われる前に吸着塔x2に導入し、しかる後、吸着塔x2を含めた複数の吸着塔で吸着工程（A）が行われる。
図４は、図１（iv）の場合を例に、その一実施形態を示している。図において、６は真空ポンプである。図４（Ｉ）に示すように、吸着塔２で脱着工程（C）が行われ、その回収ガスの一部が吸着塔１に送られてパージ工程（B）が行われる。そして、そのパージ排ガスg１が、吸着工程（A）が行われる吸着塔３〜５のうち混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる「吸着塔x2」、すなわち吸着塔４に導入される。吸着塔４を通過したパージ排ガスg１は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔、すなわち吸着塔３（吸着塔x3）に導入された後、吸着排ガスとして系外に排出される。このパージ工程（B）が終了後、図４（II）に示すように、混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定された吸着塔５（吸着塔x1）、吸着塔４（吸着塔x2）、吸着塔３（吸着塔x3）で吸着工程（a）が行われる。
【００２１】
上記のように、パージ排ガスg１を、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔x2に導入する理由は、以下のとおりである。吸着塔x1〜x3内の吸着していないガス（混合ガス）中の目的ガス成分濃度は、図３に示されるように吸着塔x3出口側は低く、吸着塔x1入口側では混合ガスの濃度であるが、パージ排ガスg１に含まれる目的ガス成分の濃度は、図３に示すように吸着塔x2出口での目的ガス成分濃度に近い。そのため、パージ排ガスg１を吸着塔x2に導入することが、吸着剤への目的ガス成分の吸着状態を乱す可能性が最も少ないと言える。仮に、吸着塔x3にパージ排ガスg１を導入したとすると、目的ガス成分は吸着するが、その後に目的ガス成分濃度が低い（目的ガス成分の分圧が低い）ガスが吸着塔x2から流れ込むため、目的ガス成分が吸着剤から脱着してしまう。一方、吸着塔x1にパージ排ガスg１を導入したとすると、高濃度で吸着していた目的ガス成分がパージ排ガスg１に脱着してしまう。
【００２２】
また、本発明の好ましい実施形態では、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔x1に、圧縮機などで加圧した混合ガス（原ガス）を導入し、吸着塔内を加圧状態とする。このようにすることで、目的ガス成分のガス分圧も高くなるため、目的ガス成分をより効率的に吸着することができる。
このような好ましい実施形態では、吸着塔x1での吸着工程（a）が終了した後、次工程であるパージ工程（B）に移行する前に、吸着塔x1内をパージ工程を行うための圧力まで減圧（自然放圧または真空ポンプなどによる減圧）する必要があるが、その減圧の際に吸着塔x1から排出されるガスg２を、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われた吸着塔x2（すなわち、次の吸着工程（A）において、混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔）に導入する。
【００２３】
図５は、図１（iv）から図１（ｖ）に移行する場合を例に、その一実施形態を示している。図５（Ｉ），（II）は図１（iv）の段階、図５（II）は図１（ｖ）の段階をそれぞれ示している。
図５（Ｉ）に示されるように、吸着工程（A）が行われる吸着塔５〜３のうち混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔５（x1）に対して、圧縮機７（またはブロワ）で加圧された混合ガスを導入することにより吸着工程（Ａ）が行われる。吸着塔５（x1）での吸着工程（a）が終了した後、次工程であるパージ工程（B）に移行する前に、図５（II）に示されるように、吸着塔５内をパージ工程を行うための圧力まで減圧し（なお、この実施形態では自然放圧による減圧であるが、真空ポンプなどで減圧してもよい）、その減圧の際に吸着塔５（x1）から排出されるガスg２を、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われた吸着塔４（x2）に導入する。この吸着塔４（x2）を通過したガスg２は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われた吸着塔、すなわち吸着塔３（x3）に導入された後、吸着排ガスとして系外に排出される。しかる後、図５（III）に示されるように、吸着塔５がパージ工程（B）に移行し、そのパージ排ガスg１が、次の吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔３（x2）に導入される。この吸着塔３（x2）を通過したパージ排ガスg１は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔、すなわち吸着塔２（x3）に導入された後、吸着排ガスとして系外に排出される。
【００２４】
以上のような実施形態では、図５（Ｉ）の吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、最上流側の吸着塔x1以外の吸着塔x2，x3は、パージ工程と同程度の圧力（通常、常圧）であることが好ましい。すなわち、図５（Ｉ）に示すように吸着工程（A）にある吸着塔のうち、吸着塔x1は加圧状態とするが、吸着塔x1から排出される原料ガスは背圧弁８で常圧まで減圧された後、吸着塔x2，x3側へ流れるようにすることが好ましい。これにより、吸着工程（A）が終了した後に吸着塔x1を減圧する際に、吸着塔x1から吸着塔x2にガスg２を自然に移行させることができる。なお、この減圧工程を効率的に進めるために、真空ポンプで積極的に吸着塔x1からガスg２を排出し、この真空ポンプの排出圧で吸着塔x2に導入するようにしてもよい。
【００２５】
図５（II）に示すように、吸着工程（a）終了後、パージ工程（B）に移行する前の減圧の際に吸着塔x1から排出されるガスg２を、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われた吸着塔x2に導入する理由は、以下のとおりである。吸着塔x1〜x3内の吸着していないガス（混合ガス）中の目的ガス成分濃度は、図３に示されるように吸着塔x3出口側は低く、吸着塔x1入口側では混合ガスの濃度であるが、吸着工程（a）終了後の減圧の際に吸着塔x1から排出されるガスg２に含まれる目的ガス成分濃度は、図３に示すように吸着塔x2入口での目的ガス成分濃度に近い。そのため、ガスg２を吸着塔x2に導入することが、吸着剤への目的ガス成分の吸着状態を乱す可能性が最も少ないと言える。仮に、ガスg２を吸着塔x3に導入したとすると、目的ガス成分は吸着するが、その後に目的ガス成分濃度が低い（目的ガス成分の分圧が低い）ガスが吸着塔x2から流れ込むため、目的ガス成分は吸着剤から脱着してしまう。
【００２６】
図６および図７は、本発明の実施に供されるガス分離設備の一実施形態において、吸着塔１〜５に対するガス配管とこれに設けられる開閉弁を示しており、ガスが供給されているガス配管を太線で表示してある。したがって、太線で表示したガス配管に設けられた開閉弁は開状態であり、それ以外の開閉弁は閉状態である。
図６は図４（Ｉ）の状態であり、脱着工程（C）にある吸着塔２からの回収ガスの一部が吸着塔１に送られてパージ工程（B）が行われ、そのパージ排ガスg１が、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔４に導入される。この吸着塔４を通過したパージ排ガスg１は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔３に導入された後、吸着排ガスとして系外に排出される。図７は図４（II）の状態であり、吸着塔１でのパージ工程（B）が終了後、混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定された吸着塔５、吸着塔４、吸着塔３で吸着工程（A）が行われ、吸着塔２では引き続き脱着工程（C）が行われる。
なお、本発明の実施に供されるガス分離設備は、４基以上の吸着塔を備えるものであればよく、吸着塔の数は任意である。
【実施例】
【００２７】
・比較例１
４基の吸着塔を備えたＰＳＡ法によるガス分離装置（試験装置）を用い、高炉ガスを模擬した原ガス（二酸化炭素：２２vol％、一酸化炭素：２３vol％、窒素：５２vol％、水素：３vol％）から二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
この比較例の吸着工程では、２基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程がそれぞれ行われるようにした。各吸着塔内（内径４０ｍｍφ×高さ５００ｍｍ）には、Ｘ型ゼオライト（東ソー（株）製「ゼオラムＦ−９」）を５００ｇ充填した。１回の各工程での時間は、吸着工程：２１０秒、パージ工程：５０秒（１６０秒間待機状態）、脱着工程：２１０秒とした。原ガス量は３．９ＮＬ／分とし、圧力１１０ｋＰａにて吸着塔に導入した。
本実施例では、パージ工程で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が９９vol％以上となるように調整した。脱着工程における最終圧力は７ｋＰａとした。この比較例では、二酸化炭素の回収率は７５vol％であった。
【００２８】
・本発明例１
４基の吸着塔を備えたＰＳＡ法によるガス分離装置（試験装置）を用い、比較例１と同様の原ガスから二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
各吸着塔の構成、１回の各工程での時間、原ガス量、脱着圧力は比較例と同様にしたが、パージ工程（B）は吸着工程（A）の前に実施し、そのパージ排ガスg１を、混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔に導入した。
本実施例では、パージ工程（B）で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が９９vol％以上となるように調整した。この発明例では、二酸化炭素の回収率は７９vol％であった。
【００２９】
・比較例２
５基の吸着塔を備えたＰＳＡ法によるガス分離装置（試験装置）を用い、高炉ガスを模擬した原ガス（二酸化炭素：２２vol％、一酸化炭素：２３vol％、窒素：５２vol％、水素：３vol％）から二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
この比較例の吸着工程では、３基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程がそれぞれ行われるようにした。各吸着塔内（内径４０ｍｍφ×高さ５００ｍｍ）には、Ｘ型ゼオライト（東ソー（株）製「ゼオラムＦ−９」）を５００ｇ充填した。１回の各工程での時間は、吸着工程：２１０秒、パージ工程：９５秒（１１５秒間待機状態）、脱着工程：２１０秒とした。原ガス量は８．４ＮＬ／分とし、圧力１５０ｋＰａにて吸着塔に導入した。
本実施例では、パージ工程で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が９９vol％以上となるように調整した。脱着工程における最終圧力は１０ｋＰａとした。この比較例では、二酸化炭素の回収率は６０vol％であった。
【００３０】
・本発明例２
５基の吸着塔を備えたＰＳＡ法によるガス分離装置（試験装置）を用い、比較例２と同様の原ガスから二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
各吸着塔の構成、１回の各工程での時間、原ガス量、脱着圧力は比較例と同様にしたが、パージ工程（B）は吸着工程（A）の前に実施し、そのパージ排ガスg１を、混合ガス流れ方向で最上流側から二番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔に導入した。この吸着塔を通過したパージ排ガスg１は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔に導入された。
本実施例では、パージ工程（B）で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が９９vol％以上となるように調整した。この発明例では、二酸化炭素の回収率は６４vol％であった。
【００３１】
・本発明例３
５基の吸着塔を備えたＰＳＡ法によるガス分離装置（試験装置）を用い、比較例２と同様の原ガスから二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
各吸着塔の構成、１回の各工程での時間、原ガス量、脱着圧力は比較例と同様にしたが、パージ工程（B）は吸着工程（A）の前に実施し、そのパージ排ガスg１を、混合ガス流れ方向で最上流側から二番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔に導入した。この吸着塔を通過したパージ排ガスg１は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔に導入された。
さらに、吸着工程（a）終了後、次の工程であるパージ工程（B）に移行する前の吸着塔を減圧（自然放圧）し、その減圧で吸着塔から排出されたガスg2を、最上流側から二番目の吸着工程（a）が行われた吸着塔（すなわち、次の吸着工程（A）において最上流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔）に導入した。この吸着塔を通過したパージ排ガスg１は、さらにその下流側で吸着工程（a）が行われた吸着塔に導入された。
本実施例では、パージ工程（B）で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が９９vol％以上となるように調整した。この発明例では、二酸化炭素の回収率は６７vol％であった。
【符号の説明】
【００３２】
１，２，３，４，５ 吸着塔
６ 真空ポンプ
７ 圧縮機
８ 背圧弁
x1，x2，x3 吸着塔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４基以上の吸着塔を有するガス分離設備において、圧力スイング吸着法により混合ガスから特定のガス成分を分離する方法であって、
下記（イ）〜（ハ）の条件を満足するように吸着工程（A）、パージ工程（B）および脱着工程（C）をそれぞれ行うとともに、パージ工程（B）にある吸着塔から排出されるガス（g１）を、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔（x2）に導入することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
（イ）ガス分離設備が有する吸着塔の数をｎ基とした場合、（ｎ−２）基の吸着塔において吸着工程（A）が行われ、残りの２基の吸着塔において、パージ工程（B）と脱着工程（C）がそれぞれ行われる。
（ロ）吸着工程（A）では、（ｎ−２）基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程（a）がそれぞれ行われる。
（ハ）各吸着塔で行われる工程は、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程（a）から上流側の吸着工程（a）に順次移行し、最上流側の吸着工程（a）を経てパージ工程（B）、脱着工程（C）に順次移行した後、再び吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行するサイクルからなる。
【請求項２】
（ｎ−２）基の吸着塔において吸着工程（A）を行う前に、パージ工程（B）にある吸着塔から排出されるガス（g１）を吸着塔（x2）に導入することを特徴とする請求項１に記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
【請求項３】
吸着塔（x2）を通過したガス（g１）を、その下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔に順に導入することを特徴とする請求項１または２に記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
【請求項４】
吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔（x1）に加圧された混合ガスを導入し、該吸着塔（x1）での吸着工程（a）が終了した後、次工程であるパージ工程（B）に移行する前に、吸着塔（x1）内を減圧し、この減圧の際に吸着塔（x1）から排出されるガス（g２）を、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われた吸着塔（x2）に導入することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
【請求項５】
吸着塔（x2）を通過したガス（g２）を、その下流側で吸着工程（a）が行われた吸着塔に順に導入することを特徴とする請求項４に記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
【請求項６】
混合ガスが高炉ガスであり、高炉ガスから二酸化炭素および／または一酸化炭素を分離することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
【請求項１】
４基以上の吸着塔を有するガス分離設備において、圧力スイング吸着法により混合ガスから特定のガス成分を分離する方法であって、
下記（イ）〜（ハ）の条件を満足するように吸着工程（A）、パージ工程（B）および脱着工程（C）をそれぞれ行うとともに、パージ工程（B）にある吸着塔から排出されるガス（g１）を、吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われる吸着塔（x2）に導入することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
（イ）ガス分離設備が有する吸着塔の数をｎ基とした場合、（ｎ−２）基の吸着塔において吸着工程（A）が行われ、残りの２基の吸着塔において、パージ工程（B）と脱着工程（C）がそれぞれ行われる。
（ロ）吸着工程（A）では、（ｎ−２）基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程（a）がそれぞれ行われる。
（ハ）各吸着塔で行われる工程は、吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程（a）から上流側の吸着工程（a）に順次移行し、最上流側の吸着工程（a）を経てパージ工程（B）、脱着工程（C）に順次移行した後、再び吸着工程（A）のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程（a）に移行するサイクルからなる。
【請求項２】
（ｎ−２）基の吸着塔において吸着工程（A）を行う前に、パージ工程（B）にある吸着塔から排出されるガス（g１）を吸着塔（x2）に導入することを特徴とする請求項１に記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
【請求項３】
吸着塔（x2）を通過したガス（g１）を、その下流側で吸着工程（a）が行われる吸着塔に順に導入することを特徴とする請求項１または２に記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
【請求項４】
吸着工程（A）が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程（a）が行われる吸着塔（x1）に加圧された混合ガスを導入し、該吸着塔（x1）での吸着工程（a）が終了した後、次工程であるパージ工程（B）に移行する前に、吸着塔（x1）内を減圧し、この減圧の際に吸着塔（x1）から排出されるガス（g２）を、混合ガス流れ方向で最上流側から２番目の吸着工程（a）が行われた吸着塔（x2）に導入することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
【請求項５】
吸着塔（x2）を通過したガス（g２）を、その下流側で吸着工程（a）が行われた吸着塔に順に導入することを特徴とする請求項４に記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
【請求項６】
混合ガスが高炉ガスであり、高炉ガスから二酸化炭素および／または一酸化炭素を分離することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
【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２０１２−５９２０（Ｐ２０１２−５９２０Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４１６７２（Ｐ２０１０−１４１６７２）
【出願日】平成２２年６月２２日（２０１０．６．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「環境調和型製鉄プロセス技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２２日（２０１０．６．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「環境調和型製鉄プロセス技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
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