JP7207284B2 - Gas separation and recovery equipment and gas separation and recovery method - Google Patents
Gas separation and recovery equipment and gas separation and recovery method Download PDFInfo
- Publication number
- JP7207284B2 JP7207284B2 JP2019226648A JP2019226648A JP7207284B2 JP 7207284 B2 JP7207284 B2 JP 7207284B2 JP 2019226648 A JP2019226648 A JP 2019226648A JP 2019226648 A JP2019226648 A JP 2019226648A JP 7207284 B2 JP7207284 B2 JP 7207284B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- adsorption
- adsorption tower
- recovery
- components
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
Landscapes
- Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Description
本発明は、ガス分離回収設備およびガス分離回収方法に関する。 The present invention relates to a gas separation and recovery facility and a gas separation and recovery method.
従来、原料ガスに含まれる所定のガス成分を分離する方法として、圧力スイング吸着(Pressure Swing Adsorption、PSA)法が用いられてきた(例えば、特許文献1、非特許文献1および2参照)。PSA法は、吸着剤に対するガス成分の吸着量がガス成分の種類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。 Conventionally, a pressure swing adsorption (PSA) method has been used as a method for separating a predetermined gas component contained in a raw material gas (see, for example, Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2). The PSA method is a separation method that utilizes the fact that the amount of gas components adsorbed on an adsorbent varies depending on the type of gas component and its partial pressure.
PSA法は、通常、吸着剤にガス成分を吸着させる工程(吸着工程)、他の吸着塔で脱着された脱着ガスの一部を洗浄ガスとして供給して不純物ガスを追い出す工程(洗浄工程)、および吸着したガス成分を吸着剤から脱着させてガスを回収する工程(脱着工程)を有する。 The PSA method usually includes a step of adsorbing gas components to an adsorbent (adsorption step), a step of supplying a part of the desorbed gas desorbed in another adsorption tower as a cleaning gas to drive out impurity gases (cleaning step), and a step of desorbing the adsorbed gas component from the adsorbent to recover the gas (desorption step).
このPSA法は、種々の分野に適用されているが、原料ガスに含まれる一成分を吸着させることにより、高濃度のガスを製造する方法として利用されることが多い。PSA法は、「加圧-常圧」の圧力差を用いる加圧方式と、「常圧(または微加圧)-減圧」の圧力差を用いる吸引方式があり、後者についてはVSA(Vacuum Swing Adsorption)法と呼ばれることもある。 This PSA method is applied in various fields, and is often used as a method for producing high-concentration gas by adsorbing one component contained in the source gas. The PSA method includes a pressurization method that uses a pressure difference of "pressurization - normal pressure" and a suction method that uses a pressure difference of "normal pressure (or slight pressure) - decompression". Adsorption) method.
近年、製鉄プロセス等から排出される二酸化炭素(以下、「CO2」とも言う。)からメタノールなどの有用な化学品を製造するCO2有効利用プロセスが検討されている。この反応は、例えば水素(以下、「H2」とも言う。)を利用する反応として、以下の反応式(1)にて表される。
CO2 + 3H2 → CH3OH +H2O (1)
In recent years, a CO 2 effective utilization process for producing useful chemicals such as methanol from carbon dioxide (hereinafter also referred to as “CO 2 ”) discharged from iron manufacturing processes and the like has been studied. This reaction is represented by the following reaction formula (1) as a reaction utilizing hydrogen (hereinafter also referred to as “H 2 ”), for example.
CO2 +3H2-> CH3OH + H2O (1)
上記反応に用いられるCO2およびH2は、何れも製鉄所の副生ガス(以下、副生ガス)に含まれるため、副生ガスからCO2およびH2を分離することによって、上記反応式(1)の原料ガスとして用いることができる。 Both CO 2 and H 2 used in the above reaction are contained in the by-product gas (hereinafter referred to as by-product gas) of steelworks, so by separating CO 2 and H 2 from the by-product gas, the above reaction formula It can be used as the raw material gas of (1).
副生ガスからのCO2分離およびH2分離は、何れも上述のPSA法により行うことができる。例えばCO2-PSAプロセスとしては、吸着剤としてゼオライトを用いる方法(例えば、非特許文献3参照)がある。また、H2-PSAプロセスとしては、吸着剤として活性炭およびゼオライトを用いる方法(例えば、特許文献2参照)がある。 Both CO 2 separation and H 2 separation from the by-product gas can be performed by the PSA method described above. For example, as a CO 2 -PSA process, there is a method using zeolite as an adsorbent (see, for example, Non-Patent Document 3). Also, as an H 2 -PSA process, there is a method using activated carbon and zeolite as adsorbents (see, for example, Patent Document 2).
一般的に、PSA装置は、1種類の特定ガス成分の分離のみを目的として設計されるため、副生ガスなどの多成分(3種類以上のガス成分)混合ガスからCO2およびH2をそれぞれ分離するためには、CO2-PSA装置およびH2-PSA装置を両方設ける必要があり、設備コストが増加する。多成分混合ガスが、例えばCO2、N2、H2の3成分のみであれば、N2-PSAプロセスによりN2のみを分離する方法も考えられるが、N2はCO2、H2に対して中間的な吸着力を有するため、N2のみを選択的に吸着分離してCO2およびH2を得ることは難しい。 In general, a PSA apparatus is designed for the purpose of separating only one specific gas component, so CO2 and H2 are respectively separated from a multi-component (3 or more gas components) mixed gas such as by-product gas. For separation, both a CO 2 -PSA device and an H 2 -PSA device must be installed, which increases equipment costs. For example, if the multi-component mixed gas contains only the three components of CO 2 , N 2 and H 2 , a method of separating only N 2 by the N 2 -PSA process is also possible. Since it has an intermediate adsorptive power, it is difficult to selectively adsorb and separate only N 2 to obtain CO 2 and H 2 .
一方、例えば特許文献3に開示されるように、吸着剤からのガス脱着時間が吸着したガス成分の種類によって異なる特性を利用して、ガス脱着時間差によりガス分離を行う方法もある。図1は、ガス脱着時間差によりガス分離を行うガス分離回収設備の一例を示している。 On the other hand, as disclosed in Patent Document 3, for example, there is also a method of performing gas separation based on the gas desorption time difference by utilizing the characteristic that the gas desorption time from the adsorbent varies depending on the type of the adsorbed gas component. FIG. 1 shows an example of a gas separation and recovery facility that performs gas separation using a gas desorption time difference.
図1に示したガス分離回収設備100においては、各吸着塔101、102は、原料ガスを吸着塔101、102内に導入するガス導入配管101aと、吸着塔101、102内からガスを排出するガス排出配管101b、102bとを有する。また、各吸着塔101、102のガス排出配管にガス排気手段VPが接続されており、ガス排気手段VPの出側に、バルブ操作によって切り替え可能な2系統のガス回収配管103a、103bが設けられている。吸着塔101、102には、ゼオライトや活性炭など、CO2を吸着しやすい吸着剤が充填される。
In gas separation and
図1に示したガス分離回収設備100においては、図2に示すように、まず吸着工程において、吸着剤に吸着しない(すなわち、吸着力が極めて小さい)H2を吸着オフガスとして分離して回収する。次に、脱着工程において、CO2とN2とをガス脱着時間差によって分離する。具体的には、まず脱着工程(1)において、吸着力が比較的弱いN2を分離し、次いで脱着工程(2)において、吸着力が比較的強いCO2を分離する。こうして、原料ガスからH2およびCO2をPSAの1工程の中で分離して回収することができる。
In the gas separation and
なお、図2において、白いバルブは開状態のバルブ、黒いバルブは閉状態のバルブ、破線は閉状態のバルブによりガスが流通していないガス配管をそれぞれ示している。また、図2におけるH2およびCO2は、正確にはH2やCO2以外の不純物ガスを含むガス(すなわち、H2リッチガスおよびCO2リッチガス)であるが、以下、説明の簡略化のため、単にH2ガスおよびCO2ガスと称する。 In FIG. 2, white valves indicate open valves, black valves indicate closed valves, and broken lines indicate gas pipes through which gas is not circulated due to the closed valves. Also, H 2 and CO 2 in FIG. 2 are precisely gases containing impurity gases other than H 2 and CO 2 (that is, H 2 rich gas and CO 2 rich gas), but for the sake of simplification of explanation, , simply referred to as H 2 gas and CO 2 gas.
原料ガスが、例えばCO2、N2、H2の3成分で構成された混合ガスである場合、図2に示したPSAプロセスにおいて、H2濃度の高い吸着オフガスを得るためには、CO2およびN2の両方を吸着剤に吸着させて分離する必要がある。例えば、吸着剤として13Xゼオライトを用いる場合、同じガス分圧に対する13XゼオライトへのN2の吸着量は、CO2の吸着量よりも少ない。そのため、図3(a)に示すように、原料ガスの供給量が多い場合には、吸着剤に吸着されない不純物ガスN2が吸着オフガスに流出して排出される。 If the raw material gas is, for example, a mixed gas composed of the three components of CO 2 , N 2 and H 2 , in the PSA process shown in FIG . and N 2 must be separated by adsorption on an adsorbent. For example, when using 13X zeolite as an adsorbent, the amount of N2 adsorbed on 13X zeolite is less than the amount of CO2 adsorbed for the same gas partial pressure. Therefore, as shown in FIG. 3A, when the supply amount of the source gas is large, the impurity gas N2 that is not adsorbed by the adsorbent flows out into the adsorption off-gas and is discharged.
吸着オフガスに流出するN2量が多くなると、吸着オフガスのH2濃度が低下してしまう。そのため、吸着オフガスのH2濃度を高めるためには、図3(b)に示すように、原料ガスの供給量を少なくして、吸着オフガスに流出するN2量を抑制する必要がある。 When the amount of N 2 flowing out to the adsorption off-gas increases, the H 2 concentration of the adsorption off-gas decreases. Therefore, in order to increase the H 2 concentration of the adsorption off-gas, it is necessary to reduce the amount of raw material gas supplied to suppress the amount of N 2 flowing out to the adsorption off-gas, as shown in FIG. 3(b).
しかしながら、本発明者らが、図3(b)に示すように、原料ガスの供給量を少なくしたところ、今度は、図2に示す脱着工程においてガス脱着時間差によりCO2を分離回収する際に、回収ガスにおけるCO2の回収率が低下することが判明した。 However, when the inventors of the present invention reduced the supply amount of the source gas as shown in FIG . , the recovery of CO 2 in the recovered gas was found to decrease.
本発明は、上記技術課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、多成分混合ガスから複数の特定のガス成分を効率的に分離して回収することができるガス分離回収設備およびガス分離回収方法を提案することにある。 The present invention has been made to solve the above technical problems, and an object of the present invention is to provide a gas separator capable of efficiently separating and recovering a plurality of specific gas components from a multi-component mixed gas. The object of the present invention is to propose a recovery facility and a gas separation recovery method.
上記課題を解決する本発明は、以下の通りである。
[1]圧力スイング吸着法によって3種類以上のガス成分を有する原料ガスから2種類以上のガス成分を分離して回収するためのガス分離回収設備であって、
2つ以上の吸着塔が直列に配置された吸着塔列であって、各吸着塔は、前記2種類以上のガス成分のうちの少なくとも1種類のガス成分を吸着する吸着剤が充填され、吸着塔内にガスを導入するガス導入配管と、吸着塔内からガスを排出するガス排出配管とを有し、隣接する2つの吸着塔の上流側の吸着塔のガス排出配管と下流側の吸着塔のガス導入配管とが接続されている、吸着塔列と、
各吸着塔のガス排出配管に接続され、各吸着塔に充填された吸着剤に吸着したガス成分を脱着して脱着ガスとして吸着塔から排出する排気手段と、
前記排気手段の出側に接続され、バルブ操作により切り替え可能な2系統のガス回収配管と、
を具えることを特徴とするガス分離回収装置。
The present invention for solving the above problems is as follows.
[1] A gas separation and recovery facility for separating and recovering two or more gas components from a raw material gas having three or more gas components by a pressure swing adsorption method,
An adsorption tower train in which two or more adsorption towers are arranged in series, each adsorption tower being filled with an adsorbent that adsorbs at least one gas component out of the two or more gas components. It has a gas introduction pipe that introduces gas into the tower and a gas discharge pipe that discharges gas from the adsorption tower, and the gas discharge pipe of the upstream adsorption tower and the downstream adsorption tower of two adjacent adsorption towers. an adsorption tower row connected to the gas introduction pipe of
an exhaust means connected to the gas discharge pipe of each adsorption tower for desorbing the gas component adsorbed by the adsorbent packed in each adsorption tower and discharging it from the adsorption tower as desorbed gas;
two gas recovery pipes connected to the outlet side of the exhaust means and switchable by valve operation;
A gas separation and recovery device comprising:
[2]前記吸着剤が、前記3種類以上のガス成分に対してそれぞれ異なる吸着等温線を有する、前記[1]に記載のガス分離回収設備。 [2] The gas separation and recovery equipment according to [1], wherein the adsorbent has different adsorption isotherms for the three or more gas components.
[3]前記[1]または[2]に記載のガス分離回収設備を用いて、圧力スイング吸着法によって3種類以上のガス成分を有する原料ガスから2種類以上のガス成分のガスを分離して回収するガス分離回収方法であって、
各吸着塔列における吸着塔に充填された吸着剤にガス成分を吸着させる吸着工程では、前記吸着塔列の最上流の吸着塔から最下流の吸着塔に向かって前記原料ガスを流通させ、前記最下流の吸着塔のガス排出配管から排出された、前記3種類以上のガス成分のうち前記吸着塔列における吸着塔に充填された吸着剤に吸着されなかったガス成分のガスを吸着オフガスとして分離して回収し、
前記吸着工程において前記吸着剤に吸着させたガス成分を脱着させる脱着工程では、前記吸着塔列における吸着塔のうちの1つ以上の吸着塔において、脱着工程を複数の時間帯に区分けして、時間帯毎に前記3種類以上のガス成分のうちの異なるガス成分のガスを分離して回収することを特徴とするガス分離回収方法。
[3] Using the gas separation and recovery equipment described in [1] or [2] above, a gas having two or more gas components is separated from a raw material gas having three or more gas components by a pressure swing adsorption method. A gas separation and recovery method for recovering,
In the adsorption step of adsorbing the gas component to the adsorbent packed in the adsorption tower in each adsorption tower row, the source gas is circulated from the most upstream adsorption tower to the most downstream adsorption tower in the adsorption tower row, The gas of the gas component that is not adsorbed by the adsorbent filled in the adsorption towers in the adsorption tower row among the three or more types of gas components discharged from the gas discharge pipe of the adsorption tower at the most downstream is separated as adsorption off-gas. to collect and
In the desorption step of desorbing the gas components adsorbed by the adsorbent in the adsorption step, in one or more adsorption towers among the adsorption towers in the adsorption tower row, the desorption step is divided into a plurality of time zones, 1. A gas separation and recovery method, comprising separating and recovering gases of different gas components out of the three or more types of gas components for each time slot.
本発明によれば、多成分混合ガスから複数の特定のガス成分を効率的に分離して回収することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, several specific gas components can be efficiently isolate|separated and collect|recovered from multi-component mixed gas.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本発明によるガス分離回収設備は、圧力スイング吸着法によって3種類以上のガス成分を有する原料ガスから2種類以上のガス成分を分離して回収するためのガス分離回収設備であり、2つ以上の吸着塔が直列に配置された吸着塔列であって、各吸着塔は、2種類以上のガス成分のうちの少なくとも1種類のガス成分を吸着する吸着剤が充填され、吸着塔内にガスを導入するガス導入配管と、吸着塔内からガスを排出するガス排出配管とを有し、隣接する2つの吸着塔の上流側の吸着塔のガス排出配管と下流側の吸着塔のガス導入配管とが接続されている、吸着塔列と、各吸着塔のガス排出配管に接続され、各吸着塔に充填された吸着剤に吸着したガス成分を脱着して脱着ガスとして吸着塔から排出する排気手段と、排気手段の出側に接続され、バルブ操作により切り替え可能な2系統のガス回収配管とを具えることを特徴とする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. A gas separation and recovery facility according to the present invention is a gas separation and recovery facility for separating and recovering two or more gas components from a raw material gas having three or more gas components by a pressure swing adsorption method. An adsorption tower row in which adsorption towers are arranged in series, each adsorption tower being filled with an adsorbent that adsorbs at least one gas component out of two or more gas components, and the adsorption tower is filled with a gas. It has a gas introduction pipe for introducing gas and a gas discharge pipe for discharging gas from the adsorption tower, and the gas discharge pipe for the upstream adsorption tower and the gas introduction pipe for the downstream adsorption tower of two adjacent adsorption towers. and an exhaust means connected to the gas discharge pipe of each adsorption tower, desorbing the gas component adsorbed by the adsorbent packed in each adsorption tower and discharging it from the adsorption tower as desorbed gas. and two gas recovery pipes connected to the outlet side of the exhaust means and switchable by valve operation.
上述のように、図1に示したガス分離回収設備100において、吸着塔101(102)に供給する原料ガスの供給量を少なくすれば、吸着オフガスのH2濃度を高めることができるが、今度は回収ガスにおけるCO2の回収率が低下することが判明した。以下、この知見を得るに至ったラボスケールのPSA実験について説明する。
As described above, in the gas separation and
上記ラボスケールのPSA実験は、図1に示したような2つの吸着塔を用いて行った。具体的には、原料ガスとして、37%CO2、41%N2、22%H2の混合ガスを使用し、内径42mm×高さ200mmのSUSで構成された吸着塔に13Xゼオライト吸着剤を1塔当り190g充填した。吸着塔の運転条件は、サイクルタイムを80~150sec/cycle、原料ガスの供給量を6.7~12.7NL/kg吸着剤/cycleとした。また、吸着塔内の圧力は、吸着圧50kPaG、脱着圧-95kPaGとした。 The above lab-scale PSA experiments were performed using two adsorption towers as shown in FIG. Specifically, a mixed gas of 37% CO 2 , 41% N 2 , and 22% H 2 was used as the raw material gas, and 13X zeolite adsorbent was added to an adsorption tower made of SUS with an inner diameter of 42 mm and a height of 200 mm. 190 g was packed per column. The operating conditions of the adsorption tower were a cycle time of 80 to 150 sec/cycle and a feed gas supply rate of 6.7 to 12.7 NL/kg adsorbent/cycle. The pressure in the adsorption tower was set to an adsorption pressure of 50 kPaG and a desorption pressure of -95 kPaG.
図4は、上記ラボスケールPSA実験において、CO2、N2およびH2の分離実験を行った際の原料ガスの供給量と吸着オフガスのH2濃度および回収ガスのCO2回収率との関係を示している。図4に示すように、原料ガス供給量が少なくなると、吸着オフガスのH2濃度は上昇した。しかしながら、回収ガスの特にCO2回収率(回収CO2濃度90%)については、原料ガスの供給量が少なくなるほど低下した。 Fig. 4 shows the relationship between the supply amount of raw material gas, the H2 concentration of the adsorption off - gas, and the CO2 recovery rate of the recovered gas when the separation experiment of CO2 , N2 and H2 was conducted in the lab - scale PSA experiment. is shown. As shown in FIG. 4, the H 2 concentration of the adsorption off-gas increased as the raw material gas supply rate decreased. However, especially the CO 2 recovery rate (recovered CO 2 concentration 90%) of the recovered gas decreased as the supply amount of the raw material gas decreased.
本発明者らは、上記CO2回収の低下の原因について鋭意調査した。その結果、図3(b)に示したような原料ガス供給量が少ない運転条件では、吸着工程の完了時に吸着塔内に残存する不純物ガスN2の量が多くなるため、図2に示した脱着工程(1)における不純物ガスの除去(脱着)時間が増加し、それに伴い、図2に示した不純物ガスとともに、回収ガスCO2の一部が脱着して不純物ガスN2のガス回収配管103aに流出してしまうことが原因であることが判明した。 The present inventors diligently investigated the cause of the decline in CO 2 recovery. As a result, under the operating conditions where the raw material gas supply amount is small as shown in FIG . The impurity gas removal (desorption) time in the desorption step (1) increases, and along with this, part of the recovery gas CO 2 is desorbed together with the impurity gas shown in FIG . It was found that the cause was that the
そこで本発明者らは、上述のような回収ガスのCO2回収率の低下を抑制しつつ、高濃度のH2を回収する方途について鋭意検討した。その結果、ガス分離回収装置を2つ以上の吸着塔が直列に配置された吸着塔列として構成するとともに、各吸着塔における吸着剤に吸着したガス成分を脱着させる排気手段を各吸着塔のガス排出配管に接続し、かつガス排気手段の出側に、バルブ操作により切り替え可能な2系統のガス回収配管を設けることに想到した。 Therefore, the present inventors have earnestly studied methods for recovering high-concentration H 2 while suppressing the above-described decrease in the CO 2 recovery rate of the recovered gas. As a result, the gas separation and recovery apparatus is configured as an adsorption tower train in which two or more adsorption towers are arranged in series, and the exhaust means for desorbing the gas components adsorbed by the adsorbent in each adsorption tower is used as the gas of each adsorption tower. The inventors have come up with the idea of providing two systems of gas recovery pipes which are connected to the discharge pipe and which can be switched by operating a valve on the outlet side of the gas discharge means.
図5は、本発明によるガス分離回収設備の一例を示している。図5に示したガス分離回収設備1は、2つ以上の吸着塔を直列に配置された吸着塔列10、20を備え、図5の例では、各吸着塔列10、20において、2塔の吸着塔11(21)および12(22)が直列に配置されている。 FIG. 5 shows an example of gas separation and recovery equipment according to the present invention. The gas separation and recovery facility 1 shown in FIG. 5 includes adsorption tower trains 10 and 20 in which two or more adsorption towers are arranged in series. In the example of FIG. adsorption towers 11 (21) and 12 (22) are arranged in series.
ガス分離回収設備1における各吸着塔11、12、21、22は、2種類以上のガス成分のうちの少なくとも1種類のガス成分を吸着する吸着剤が充填され、吸着塔内にガスを導入するガス導入配管11a、12a、21a、22aと、吸着塔内からガスを排出するガス排出配管11b、12b、21b、22bとを有する。そして、隣接する2つの吸着塔の上流側の吸着塔11(21)のガス排出配管11a(21a)と下流側の吸着塔12(22)のガス導入配管12b(22b)とが接続されており、上流側吸着塔11(21)から排出されたガスが下流側吸着塔12(22)に導入されるように構成されている。
Each of the adsorption towers 11, 12, 21, 22 in the gas separation and recovery equipment 1 is filled with an adsorbent that adsorbs at least one gas component out of two or more gas components, and the gas is introduced into the adsorption tower. It has
また、排気手段VPが各吸着塔11、12、21、22のガス排出配管11b、12b、21b、22bに接続されており、各吸着塔11、12、21、22に充填された吸着剤に吸着したガス成分を脱着して脱着ガスとして吸着塔11、12、21、22から排出する。そして、排気手段VPの出側には、バルブ操作により切り替え可能な2系統のガス回収配管30a、30bが設けられている。
In addition, the exhaust means VP is connected to the
上記ガス分離回収設備1においては、吸着工程では、上流側吸着塔11(21)から下流側吸着塔12(22)に向かって原料ガスを流通させて、主に吸着剤に吸着しやすいガス成分1およびガス成分2を吸着させた後に、吸着オフガスとしてガス成分3を分離して回収する。そして、吸着工程で吸着剤に吸着させたガス成分を脱着させてガスを回収する脱着工程では、これら吸着塔列10、20の吸着塔11(21)、12(22)のうち、1つ以上の吸着塔において、脱着工程を複数の時間帯に区分けして、時間帯毎に異なるガス成分のガスを回収することによって、吸着剤に吸着したガス成分をガス成分毎に分離して回収する。
In the gas separation and recovery equipment 1, in the adsorption step, the raw material gas is circulated from the upstream side adsorption tower 11 (21) toward the downstream side adsorption tower 12 (22), and mainly gas components that are easily adsorbed by the adsorbent After adsorption of 1 and
例えば、ガス成分1がCO2、ガス成分2がN2、ガス成分3がH2である場合、ゼオライトや活性炭への吸着力は一般的にはCO2>N2>H2であるため、吸着工程においてガス成分1~3を有する原料ガスをゼオライトや活性炭が充填された吸着塔11、12、21、22へ流通させると、ガス成分のガス分圧が同程度であれば、吸着剤に吸着しづらいH2が最も早く吸着オフガスとして排出され、次にN2が吸着オフガスに流出して排出され、最後にCO2が吸着オフガスに流出して排出される。従って、吸着工程の吸着オフガスの組成は時間により変動する。
For example, when the gas component 1 is CO 2 , the
例えば、吸着オフガスのH2濃度に着目すると、初期の吸着オフガスはH2濃度が高く、次第に吸着オフガスへのN2の流出が開始してH2濃度が低下し、最後にCO2が吸着オフガスに流出し出して、原料ガスが吸着せずにそのまま流出(破過)するようになり、吸着オフガスのH2濃度は原料ガスのH2濃度と等しくなる。したがって、H2(ガス成分3)を高濃度で分離して回収するためには、CO2(ガス成分1)およびN2(ガス成分2)が吸着オフガスに流出するのを開始する前に原料ガスの供給を停止して吸着工程を終了し、脱着工程へ移行することが肝要となる。 For example, focusing on the H 2 concentration of the adsorption off - gas, the initial adsorption off - gas has a high H 2 concentration. As a result, the H 2 concentration of the adsorbed off-gas becomes equal to the H 2 concentration of the raw material gas. Therefore, in order to separate and recover H 2 (gas component 3) at high concentrations, the feedstock must be depleted before CO 2 (gas component 1) and N 2 (gas component 2) begin to flow into the adsorption offgas. It is essential to stop the supply of gas, terminate the adsorption step, and shift to the desorption step.
次に、吸着処理完了後に、各吸着塔11、12、21、22を開閉バルブで縁切りした後に、個別に脱着処理を行う。上述のように、図5に示したガス分離回収設備1においては、バルブ操作により切り替え可能な2系統のガス回収配管30a、30bが設けられており、脱着処理では、脱着ガスの組成変動を利用して脱着ガスを時間により分岐させることによって、不純物ガスN2(ガス成分2)と回収ガスCO2(ガス成分1)とを分離して回収する。
Next, after the adsorption process is completed, the adsorption towers 11, 12, 21, and 22 are disconnected by opening/closing valves, and the desorption process is performed individually. As described above, the gas separation and recovery equipment 1 shown in FIG. 5 is provided with two systems of
図5に示した吸着塔列10、20のように、吸着塔11、12、21、22を上流側の吸着塔11、21と下流側の吸着塔12、22とに分割することによって、上流側吸着塔11、21の下部に残存する不純物ガスN2の量を少なくすることができる。そのため、上流側吸着塔11、21の脱着処理を行う際に、真空ポンプVPの出側における不純物ガスN2の分離時間を短縮することができるため、不純物ガスN2のガス回収配管30aに流出するCO2の量を削減して、回収ガスのCO2回収率を向上させることができる。 Like the adsorption tower trains 10 and 20 shown in FIG. The amount of impurity gas N 2 remaining in the lower portions of the side adsorption towers 11 and 21 can be reduced. Therefore, when the desorption treatment of the upstream adsorption towers 11 and 21 is performed, the separation time of the impurity gas N 2 on the outlet side of the vacuum pump VP can be shortened. The amount of CO2 generated can be reduced and the CO2 recovery rate of the recovered gas can be improved.
なお、図5に示した吸着塔列10、20においては、各吸着塔列10(20)を上流側吸着塔11(21)と下流側吸着塔12(22)の2塔で構成しているが、原料ガスに含まれるガス成分の数や分離するガス成分の数に応じて3塔以上としてもよい。
In the
また、図5に示した吸着塔列10、20においては、真空ポンプVPは1基のみとしているが、上流側吸着塔11、21の脱着処理用の真空ポンプと、下流側吸着塔12、22の脱着処理用の真空ポンプとを別個で設けて、上流側吸着塔11、21および下流側吸着塔12、22の脱着処理を同時に実行するような設備構成としてもよい。 In the adsorption tower trains 10 and 20 shown in FIG. 5, only one vacuum pump VP is provided. A vacuum pump for the desorption treatment may be separately provided, and the equipment configuration may be such that the desorption treatments of the upstream adsorption towers 11 and 21 and the downstream adsorption towers 12 and 22 are performed simultaneously.
さらに、本発明において、吸着塔列10、20における各吸着塔11、12、21、22に充填される吸着剤が、3種類以上のガス成分に対してそれぞれ異なる吸着等温線を有することが好ましい。すなわち、吸着塔列10、20において直列配置される各吸着塔11、12、21、22には、それぞれの吸着塔において、主に吸着させるガス成分の平衡吸着量が多い吸着剤を充填することが好ましい。これにより、各吸着塔から排出されるオフガスの組成に応じて目的ガス(主に吸着させるガス成分)を効率的に分離できるようになるため、設備スケールを小さくすることができる。
Furthermore, in the present invention, it is preferable that the adsorbents filled in the respective adsorption towers 11, 12, 21, 22 in the
次に、本発明によるガス分離方法について説明する。本発明によるガス分離回収方法は、上述した本発明によるガス分離回収設備1を用いたガス分離回収方法であり、圧力スイング吸着法(PSA法)によって多成分(3種類以上のガス成分)を有する原料ガスから2種類以上のガス成分のガスを分離して回収する方法である。 Next, the gas separation method according to the present invention will be described. The gas separation and recovery method according to the present invention is a gas separation and recovery method using the gas separation and recovery equipment 1 according to the present invention described above, and has multiple components (three or more gas components) by the pressure swing adsorption method (PSA method). This is a method of separating and recovering two or more types of gas components from a raw material gas.
図6は、本発明によるガス分離回収方法を説明する図を示している。実際のPSA操作では、図5に示したガス分離回収設備1のように、複数の吸着塔列10、11を設けて原料ガス流通ラインを切り替えながら運転を行うが、図6には、説明のために、1つの吸着塔列10の工程図およびガス配管のみを示している。
FIG. 6 shows a diagram for explaining the gas separation and recovery method according to the present invention. In actual PSA operation, as in the gas separation and recovery equipment 1 shown in FIG. Therefore, only the process chart and gas piping of one
また、図6では、吸着工程および脱着工程のガス流通方法のみが示されており、放圧工程および充圧工程については省略されている。また、図6において、白いバルブは開状態のバルブ、黒いバルブは閉状態のバルブ、破線は閉状態のバルブによりガスが流通していないガス配管をそれぞれ示している。 Further, FIG. 6 shows only the gas distribution method of the adsorption process and the desorption process, and omits the pressure release process and the pressure charging process. In FIG. 6, white valves indicate open valves, black valves indicate closed valves, and broken lines indicate gas pipes through which gas is not circulated due to the closed valves.
まず、吸着工程において、吸着塔列10の最上流の吸着塔である吸着塔11の上部から原料ガスを導入し、最下流の吸着塔12に向かって原料ガスを流通させる。そして、原料ガスに含まれるガス成分のうち吸着塔列10における吸着塔11、12に充填された吸着剤に吸着されなかったガス成分のガスを吸着オフガスとして分離して回収する。原料ガスは、例えばCO2、N2、H2の3種類のガス成分で構成することができる。
First, in the adsorption step, the raw material gas is introduced from the upper part of the
吸着圧は、当該吸着塔列10の出側の背圧弁(図示せず)により調整されている。吸着塔11、12の内部には、ゼオライトまたは活性炭などの吸着剤が充填されている。このような吸着塔列10に原料ガスを供給して、CO2およびN2を吸着剤に吸着させ、吸着されなかったガス成分を吸着オフガスとして分離して回収する。この吸着オフガスは、主にH2を含む。
The adsorption pressure is adjusted by a back pressure valve (not shown) on the exit side of the
次に、脱着工程の初期工程である脱着工程(1)において、図6に示すようにガス配管を切り替え、主にN2を吸着した下流側吸着塔12から不純物ガスであるN2を脱着して除去する。 Next, in the desorption step ( 1 ), which is the initial step of the desorption step, the gas piping is switched as shown in FIG . to remove.
続いて、脱着工程の中期工程である脱着工程(2)において、主にCO2を吸着した上流側吸着塔11内部を真空ポンプVPにより減圧することによって、脱着し易い不純物ガスN2をまず除去して回収する。
Subsequently, in the desorption step (2), which is the intermediate step of the desorption step, the interior of the
そして、脱着工程の後期工程である脱着工程(3)において、真空ポンプVPの出側のガス配管をガス回収配管30bに切り替えて、脱着し難いCO2を後から分離して回収する。こうして、原料ガスから、CO2、N2およびH2を1回のPSA操作で分離して回収することができる。
Then, in the desorption step (3), which is the later step of the desorption step, the gas pipe on the outlet side of the vacuum pump VP is switched to the
図6においては、上流側吸着塔11からのガス脱着と下流側吸着塔12からのガス脱着を同一の真空ポンプVPを用いて行っているが、それぞれに別の真空ポンプを設ける構造としてもよい。また、吸着工程における吸着圧を高めるために吸着塔11、21の入側にガスコンプレッサーを設ける場合や、ガス脱着工程に放圧処理を含む場合においても、図6に示した場合と同様の設備および運転方法にてCO2、N2およびH2を1回のPSA操作で分離して回収することが可能である。
In FIG. 6, gas desorption from the upstream
また、図6では、下流側吸着塔12の脱着処理を行った後に上流側吸着塔11の脱着処理を行っているが、上流側吸着塔11の脱着処理を行った後に下流側吸着塔12の脱着処理を行ってもよい。しかし、上流側吸着塔11の脱着処理を行った後に下流側吸着塔12の脱着処理を行うと、配管内を回収ガス(CO2)と不純物ガス(N2)とが交互に流通することになり、分離回収したガスの濃度が低下する。そのため、下流側吸着塔12の脱着処理を行った後に上流側吸着塔11の脱着処理を行うことが好ましい。
Further, in FIG. 6, the desorption treatment of the
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
(発明例)
図5に示した本発明によるガス分離回収設備1を用いて、ラボスケールのPSA実験を行った。具体的には、原料ガスとして、37%CO2、41%N2、22%H2の混合ガスを使用し、内径42mm×高さ200mmのSUS吸着塔に13Xゼオライト吸着剤を上段側吸着塔に57g、下段側吸着塔に190gそれぞれ充填した。また、PSA運転条件は、サイクルタイムを100sec/cycle、原料ガスの供給量を8.5NL/kg吸着剤/cycleとし、吸着塔内の圧力は、吸着圧50kPaG、脱着圧-95kPaGとした。
(Invention example)
A lab-scale PSA experiment was conducted using the gas separation and recovery equipment 1 according to the present invention shown in FIG. Specifically, a mixed gas of 37% CO 2 , 41% N 2 , and 22% H 2 was used as the raw material gas, and 13X zeolite adsorbent was added to the SUS adsorption tower having an inner diameter of 42 mm and a height of 200 mm. 57 g was packed in the bottom side adsorption tower, and 190 g was packed in the lower adsorption tower. The PSA operating conditions were a cycle time of 100 sec/cycle, a source gas supply rate of 8.5 NL/kg adsorbent/cycle, and pressures in the adsorption tower of adsorption pressure of 50 kPaG and desorption pressure of -95 kPaG.
図7は、従来法および本発明によるラボPSA実験結果を比較した図である。図7では、回収CO2濃度90%および回収H2濃度60%がほぼ等しい条件で、CO2回収率およびH2回収率を比較した。図7から、発明例については、吸着オフガスのH2濃度を従来例と同程度に維持しつつ、回収ガスのCO2回収率が大幅に上昇していることが分かる。 FIG. 7 compares laboratory PSA experimental results according to the conventional method and the present invention. In FIG. 7, the CO 2 recovery rate and the H 2 recovery rate were compared under the condition that the recovered CO 2 concentration of 90% and the recovered H 2 concentration of 60% were almost equal. From FIG. 7, it can be seen that in the example of the invention, the CO 2 recovery rate of the recovered gas is greatly increased while maintaining the H 2 concentration of the adsorption off-gas at the same level as in the conventional example.
本発明によれば、多成分混合ガスから複数の特定のガス成分を効率的に分離して回収することができるため、製鉄業において有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to efficiently separate and recover a plurality of specific gas components from a multi-component mixed gas, which is useful in the steel industry.
1,100 ガス分離回収設備
10,20,101,102 吸着塔列
11,12,21,22 吸着塔
11a,12a,101a,102a ガス導入配管
11b,12b,101b,102b ガス排出配管
30a,30b,103a,103b ガス回収配管
VP 真空ポンプ
1,100 gas separation and
Claims (3)
2つ以上の吸着塔が直列に配置された吸着塔列であって、各吸着塔は、前記2種類以上のガス成分のうちの少なくとも1種類のガス成分を吸着する吸着剤が充填され、吸着塔内にガスを導入するガス導入配管と、吸着塔内からガスを排出するガス排出配管とを有し、前記ガス排出配管の本数が1本であり、隣接する2つの吸着塔の上流側の吸着塔のガス排出配管と下流側の吸着塔のガス導入配管とが接続され、吸着工程において前記原料ガスが最上流の吸着塔から最下流の吸着塔に向かって流通するように構成されている、吸着塔列と、
各吸着塔のガス排出配管に接続され、各吸着塔に充填された吸着剤に吸着したガス成分を脱着して脱着ガスとして吸着塔から排出する排気手段と、
前記排気手段の出側に接続され、バルブ操作により切り替え可能な2系統のガス回収配管と、
を具えることを特徴とするガス分離回収設備。 Gas separation and recovery equipment for separating and recovering two or more types of gas components from a raw material gas having three or more types of gas components by a pressure swing adsorption method,
An adsorption tower train in which two or more adsorption towers are arranged in series, each adsorption tower being filled with an adsorbent that adsorbs at least one gas component out of the two or more gas components. It has a gas introduction pipe for introducing gas into the tower and a gas discharge pipe for discharging gas from the adsorption tower. The gas discharge pipe of the adsorption tower and the gas introduction pipe of the downstream adsorption tower are connected, and the raw material gas is configured to flow from the most upstream adsorption tower to the most downstream adsorption tower in the adsorption step. , an adsorption tower row, and
an exhaust means connected to the gas discharge pipe of each adsorption tower for desorbing the gas component adsorbed by the adsorbent packed in each adsorption tower and discharging it from the adsorption tower as desorbed gas;
two gas recovery pipes connected to the outlet side of the exhaust means and switchable by valve operation;
A gas separation and recovery facility comprising:
各吸着塔列における吸着塔に充填された吸着剤にガス成分を吸着させる前記吸着工程では、前記吸着塔列の最上流の吸着塔から最下流の吸着塔に向かって前記原料ガスを流通させ、前記最下流の吸着塔のガス排出配管から排出された、前記3種類以上のガス成分のうち前記吸着塔列における吸着塔に充填された吸着剤に吸着されなかったガス成分のガスを吸着オフガスとして分離して回収し、
前記吸着工程において前記吸着剤に吸着させたガス成分を脱着させる脱着工程では、前記吸着塔列における吸着塔のうちの1つ以上の吸着塔において、脱着工程を複数の時間帯に区分けして、時間帯毎に前記バルブ操作により前記2系統のガス回収配管を切り替えて、前記3種類以上のガス成分のうちの異なるガス成分のガスを分離して回収することを特徴とするガス分離回収方法。 A gas separation and recovery method for separating and recovering two or more types of gas components from a raw material gas having three or more types of gas components by pressure swing adsorption using the gas separation and recovery equipment according to claim 1 or 2. and
In the adsorption step of adsorbing a gas component to an adsorbent packed in an adsorption tower in each adsorption tower row, the raw material gas is circulated from the most upstream adsorption tower to the most downstream adsorption tower in the adsorption tower row, Among the three or more types of gas components discharged from the gas discharge pipe of the most downstream adsorption tower, the gas of the gas component that is not adsorbed by the adsorbent packed in the adsorption tower in the adsorption tower row is used as the adsorption off gas. Separate and collect
In the desorption step of desorbing the gas components adsorbed by the adsorbent in the adsorption step, in one or more adsorption towers among the adsorption towers in the adsorption tower row, the desorption step is divided into a plurality of time zones, A gas separation and recovery method, characterized in that the two systems of gas recovery pipes are switched by the valve operation for each time period to separate and recover gases of different gas components among the three or more types of gas components.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019226648A JP7207284B2 (en) | 2019-12-16 | 2019-12-16 | Gas separation and recovery equipment and gas separation and recovery method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019226648A JP7207284B2 (en) | 2019-12-16 | 2019-12-16 | Gas separation and recovery equipment and gas separation and recovery method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021094513A JP2021094513A (en) | 2021-06-24 |
JP7207284B2 true JP7207284B2 (en) | 2023-01-18 |
Family
ID=76430341
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019226648A Active JP7207284B2 (en) | 2019-12-16 | 2019-12-16 | Gas separation and recovery equipment and gas separation and recovery method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7207284B2 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009222352A (en) | 2008-03-18 | 2009-10-01 | Jfe Steel Corp | Separation method for blast furnace gas |
JP2009226257A (en) | 2008-03-19 | 2009-10-08 | Sumitomo Seika Chem Co Ltd | Process for separation of blast furnace gas, and system of separating blast furnace gas |
JP2012005920A (en) | 2010-06-22 | 2012-01-12 | Jfe Steel Corp | Gas separation method by pressure swing adsorption method |
US20120222551A1 (en) | 2011-03-01 | 2012-09-06 | Exxonmobil Research And Engineering Company | Swing Adsorption Processes Utilizing Controlled Adsorption Fronts |
JP2018114464A (en) | 2017-01-19 | 2018-07-26 | Jfeスチール株式会社 | Gas separation and recovery method and equipment |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6246911A (en) * | 1985-08-21 | 1987-02-28 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Method for concentrating gaseous co |
JPS63232819A (en) * | 1987-03-23 | 1988-09-28 | Hitachi Ltd | Multilayer adsorption separation method |
GB8726804D0 (en) * | 1987-11-16 | 1987-12-23 | Boc Group Plc | Separation of gas mixtures including hydrogen |
-
2019
- 2019-12-16 JP JP2019226648A patent/JP7207284B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009222352A (en) | 2008-03-18 | 2009-10-01 | Jfe Steel Corp | Separation method for blast furnace gas |
JP2009226257A (en) | 2008-03-19 | 2009-10-08 | Sumitomo Seika Chem Co Ltd | Process for separation of blast furnace gas, and system of separating blast furnace gas |
JP2012005920A (en) | 2010-06-22 | 2012-01-12 | Jfe Steel Corp | Gas separation method by pressure swing adsorption method |
US20120222551A1 (en) | 2011-03-01 | 2012-09-06 | Exxonmobil Research And Engineering Company | Swing Adsorption Processes Utilizing Controlled Adsorption Fronts |
JP2018114464A (en) | 2017-01-19 | 2018-07-26 | Jfeスチール株式会社 | Gas separation and recovery method and equipment |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2021094513A (en) | 2021-06-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI521056B (en) | Methane recovery method and methane recovery unit | |
KR101388266B1 (en) | Method and apparatus for separating blast furnace gas | |
CA2570562A1 (en) | Adsorptive separation of gas streams | |
IE914210A1 (en) | Hydrogen and carbon monoxide production by hydrocarbon steam¹reforming and pressure swing adsorption purification | |
US8709136B2 (en) | Adsorption process | |
JP2019156658A (en) | Method for recycling carbon dioxide | |
JP5498661B2 (en) | Blast furnace gas separation method | |
GB2155805A (en) | Gas separation process and apparatus | |
KR101935069B1 (en) | Target gas separation method and target gas separation device | |
CA1238868A (en) | Method for obtaining high-purity carbon monoxide | |
EP3549657B1 (en) | Gas separation and recovery method and equipment | |
US7695545B2 (en) | Adsorption process to recover hydrogen from feed gas mixtures having low hydrogen concentration | |
JP7147727B2 (en) | Gas separation and recovery method | |
JP2014516778A (en) | Low energy cyclic PSA process | |
JP2007182350A (en) | System for purifying carbon monoxide | |
JP7207284B2 (en) | Gas separation and recovery equipment and gas separation and recovery method | |
JP5534972B2 (en) | Gas separation method by pressure swing adsorption method | |
JP6930513B2 (en) | Organic matter synthesizer and synthesis method | |
JPH02198610A (en) | Pressure fluctuation type adsorption method | |
JP2001335305A (en) | Co gas/h2 gas recovery equipment and method for recovering co gas/h2 gas | |
JPH0465302A (en) | Pressure-swing hydrogen purification method | |
KR0160783B1 (en) | Separating method for carbon monoxide not containing methane | |
CN117957047A (en) | Gas separation methods | |
JPH0112529B2 (en) | ||
JPS62168525A (en) | Method for separating and purifying carbon monoxide by adsorption |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210720 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220707 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220726 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220921 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20221206 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20221219 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7207284 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |