JP2000210527A

JP2000210527A - 混合ガス分離装置及び分離システム

Info

Publication number: JP2000210527A
Application number: JP11014009A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Aida; 剛合田; Yoshihiko Hirano; 嘉彦平野; Hiroshi Murase; 洋村瀬; Kazuyuki Suzuki; 和之鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-01-22
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2000-08-02

Abstract

(57)【要約】【課題】 SF6ガスと窒素ガスとの混合ガスの簡易な分離
技術を提供し、SF6 ガスのリサイクル、あるいは廃棄等
の安全処分を現実化することで混合ガス機器の実適用に
供することを目的とする。【解決手段】容器2 には、下方にガス引込口5 及びガス
吹出口4 を形成するとともに、上方にはガス吹出口3 を
形成し、その内部には連続多孔質体1 充填する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、六弗化硫黄ガスと
窒素ガスとの混合ガスを回収するための、分離装置及び
分離システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の電力輸送の長距離化に伴い、電力
系統が益々高電圧化されつつあるにも関らず、送変電機
器の一層の小型化が市場的に常に要請されている。従っ
て機器内部に充填する媒体としては、優れた電気絶縁特
性を有することが絶対条件となり、かかる条件を満たす
ガス媒体として、電気絶縁特性に優れた人工ガスである
六弗化硫黄ガス（以下「SF6 ガス」とする）が一般に用
いられる。

【０００３】しかしながら、SF6 ガスは炭酸ガスに比し
使用する絶対量は少ないものの、温暖化係数が炭酸ガス
の2 万倍以上もあることから、1997年12月の地球温暖化
防止京都会議にて、炭酸ガスとともに排出が規制される
6 種のガスの一つに指定されるに至った。

【０００４】かかる規制に対し開発すべき方向性は種々
考えられる。その一つとして、少しでもSF6 ガスの使用
量を低減する観点から、SF6 ガスに窒素ガスを混ぜた混
合ガス（以下「混合ガス」とする）を絶縁媒体として用
いる技術が開発されている（特願平10-49156等）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ここで、混合ガスを絶
縁媒体として用いる技術では、事故その他の不測の事態
の際に、環境中に放出するSF6 ガスの絶対量が少ない点
は長所である。しかし一方で、物性の全く異なる2 種の
ガスから構成されているため、メンテナンス等の際にガ
ス回収した後、これをリサイクル処分するにも混合状態
のままでは不利不便をきたし、また環境中に廃棄処分し
てしまっては本末転倒でSF6 ガス排出規制の流れに反す
ることとなる。

【０００６】そこで本発明は、SF6 ガスと窒素ガスとの
混合ガスの簡易な分離装置を提供するとともに、当該装
置を利用した分離システムをも提供することで、SF6 ガ
スのリサイクル、あるいは廃棄等の安全処分を現実化
し、ひいては混合ガス機器の実適用に供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、以上の目的
を達成するために、請求項1 の発明として、下方に混合
ガスを引込むためのガス引込口及び混合ガス中のより重
いガスを吹出すためのガス吹出口を形成するとともに上
方には混合ガス中のより軽いガスを吹出すためのガス吹
出口を形成する容器と、前記容器内に充填されてなる連
続多孔質体とを有することを特徴とする混合ガス分離装
置を提供する。かかる構成においては、ガスの質量差及
び径の大きさの差を利用しての混合ガス分離が可能とな
る。

【０００８】また、本発明においては、請求項2 の発明
として、混合ガスを引込むためのガス引込口を形成する
とともに混合ガス中のより重いガスを吹出すためのガス
吹出口及び混合ガス中のより軽いガスを吹出すためのガ
ス吹出口を形成する容器と、前記混合ガス中のより重い
ガスを吹出すためのガス吹出口と前記混合ガス中のより
軽いガスを吹出すためのガス吹出口とが、前記容器内に
て拡散膜で区分されてなることを特徴とする混合ガス分
離装置を提供する。かかる構成においては、ガスの分子
径の大きさの差等を利用しての混合ガス分離が可能とな
る。

【０００９】また、本発明においては、請求項3 の発明
として、前記容器には容器内の上方部を加熱するための
手段が設置されてなることを特徴とする請求項2 記載の
混合ガス分離装置を提供する。かかる構成においては、
混合ガスに温度勾配を設けることにより効率的な混合ガ
ス分離が可能となる。

【００１０】また、本発明においては、請求項4 の発明
として、内部に回転体を有する容器と、前記容器外部か
ら混合ガスを引込むためのガス引込口、回転軸心近傍に
形成された容器外部へのガス引出口、回転体内周壁近傍
に形成された容器外部へのガス引出口、をそれぞれ形成
してなる回転体と、この回転体を回転せしめる駆動部
と、を有する混合ガス分離装置を提供する。かかる構成
においては、ガスの質量差を利用しての混合ガス分離が
可能となる。

【００１１】また、本発明においては、請求項5 の発明
として、前記ガス分離装置は複数段に多段連結され、混
合ガスは複数回の分離工程にかけられるとともに、複数
回のフィードバック工程にかけられることを特徴とす
る、請求項1 乃至4 までのいずれか1 に記載の混合ガス
分離システムを提供する。かかる構成においては、単機
当たりの分離効率如何に関らず、実際の濃度条件を満た
し得る高精度の分離が可能となる。

【００１２】また、本発明においては、請求項6 の発明
として、両端に混合ガスを引込むためのガス引込口及び
ガス吹出口とを備えた複数の中空糸を束ねた中空糸束
と、これを密閉収納するとともに中空糸膜から透過した
ガスを吹出すための吹出口と前記中空糸の両端を構成す
るガス引込口及びガス吹出口とを形成した容器と、を有
することを特徴とするガス分離装置を提供する。かかる
構成においては、中空糸膜による混合ガスの透過率等の
相違を利用しての効率的な混合ガス分離が可能となる。

【００１３】また、本発明においては、請求項7 の発明
として、混合ガスのSF6 濃度を所定値まで高める混合ガ
ス分離装置と、この装置から出力された高SF6 濃度の混
合ガスを低温あるいは高圧加工することで液化する液化
装置と、を有する混合ガス分離システムを提供する。か
かるシステムにおいては、一旦分離装置でSF6 濃度を濃
縮したガスを液化装置で加工し得るため、コンプレッサ
ー等の設備の小型化及び省エネが可能となる。

【００１４】また、本発明においては、請求項8 の発明
として、混合ガスのSF6 濃度を所定値まで高める混合ガ
ス分離装置と、この装置から出力された高SF6 濃度の混
合ガスを低温あるいは高圧加工することで液化する液化
装置と、を有し、前記混合ガス分離装置が、請求項1 乃
至6 までのいずれか1 に記載の分離装置あるいは分離シ
ステムであることを特徴とする混合ガス分離システムを
提供する。かかるシステムにおいても、一旦分離装置で
SF6 濃度を濃縮したガスを液化装置で加工し得るため、
コンプレッサー等の設備の小型化及び省エネが可能とな
る。

【００１５】また、本発明においては、請求項9 の発明
として、システムから放出される低SF6 濃度の混合ガス
については一酸化カルシウム等との化学反応工程に送る
ことを特徴とする請求項7 あるいは請求項8 記載の混合
ガス分離システムを提供する。かかるシステムにおいて
は、液化装置はもちろん分離装置までもその扱いが困難
である低SF6 濃度の混合ガスの、簡易且つ安全なSF6 処
分が可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第1 の実施の形態
を図1 を参照して説明する。連続多孔質体１は例えばガ
スクロマトグラフをはじめとして活性炭、海綿体その他
のポーラスな材料から成り、容器２内部に充填され
る。また容器2 には上方吹出口3 及び下方吹出口4 をそ
れぞれ形成するとともに、引込口5 を下方に形成する。
かかる構成からなる装置に、引込口5 から混合ガスを吸
入すると、混合ガス中の、より重いガスであるSF6 ガス
が下方吹出口4 から多く吹出されるのに対し、混合ガス
中のより軽いガスである窒素ガスが上方吹出口3 から多
く吹出される。これは、両ガスに認められる質量、分子
径及び吸着力の差によるものと思われる（窒素ガスとSF
6 ガスの分子量はそれぞれ28と146 であり、分子径はそ
れぞれ4 オングストローム、6 オングストロームであ
る）。従って、本実施形態によれば、両ガスの質量差等
を利用して効率よく分離することが可能となる。

【００１７】次に、本発明の第2 の実施の形態を図2 を
参照して説明する。ここで、図2 は、拡散膜11に対する
両ガスの透過率等の差を利用した装置を示し、容器12の
一方面に、上方吹出口13及び下方吹出口14をそれぞれ形
成するとともに、他方面に引込口15を形成する。また、
容器12内で、上方吹出口13の属する上方室と、下方吹出
口14の属する下方室との間に拡散膜11を設置する。かか
る拡散膜11を設置することにより、両ガスの分子径の大
きさの相違あるいは膜への浸透率の相違等によって両ガ
スの分離が可能となる。例えば、上方吹出口13と下方吹
出口14との間に微細な網目構造の拡散膜11を設置した場
合、より径の小さい窒素分子は、その径の小ささによっ
て、SF6 ガスとの分離が可能となる。また、拡散膜の素
材としてはセロファン等の半透膜材でも分離効率の向上
が確認されたが、分子径の大小によって、あるいは浸透
率の相違等にとって、混合ガスの透過率に変化をきたす
ものであればいかなるものであっても良い。

【００１８】また、容器12内には、更に上方室にヒータ
ー16等の加熱手段を設置しても良い。かかるヒーター16
等を設置した場合、容器12内の上方と下方とで温度勾配
が出来るため、より軽いガスである窒素ガスがより効率
的に上方室へ拡散し、上方吹出口13への分離効率が一層
向上する。

【００１９】次に、本発明の第3 の実施の形態を図3 を
参照して説明する。ここで、図3 は、両ガスの質量差を
利用した遠心分離装置を示し、円筒状の容器22内に、モ
ーター及びベルト伝導機構等から成る駆動部26、及びこ
れにより回転運動がなされる円筒状の回転体21が設置さ
れている。この回転体21内には、外部から混合ガスを供
給する引込口25と、回転軸心近傍から外部へ連通する窒
素引出口23と、円筒内周壁近傍から外部へ連通するSF6
引出口24とが設置されている。もっとも、回転軸近傍は
低圧状態となっているため、窒素引出口23には図示せぬ
真空ポンプが取り付けられている。

【００２０】かかる構成を有する遠心分離装置の引込口
25に混合ガスを供給すると、高速で回転している回転体
21内にて、強力な遠心力による重力場の影響を受け、よ
り重いガスであるSF6 ガスが円筒内周壁近傍に、より軽
いガスである窒素ガスが軸心近傍の真空に近い部分に、
それぞれ効率よく分離される。従ってこれらのガスを円
筒内周壁近傍から、あるいは軸心近傍からそれぞれ引出
すことで、かなり分離されたSF6 ガス、窒素ガスをそれ
ぞれ得ることが出来る。なお、本実施形態の分離装置に
よれば、回転体21の回転速度の調整次第で相当強力な重
力場を作ることが出来るため、分離係数が気体拡散法等
に比しても大きい。故に分離工程に要する電力消費量が
少ないことが特徴である。

【００２１】次に本発明の第4 の実施形態を図4 を参照
して説明する。すなわち、第1 から第3 までの実施形態
は、いずれもSF6 ガスと窒素ガスとの明瞭な質量差等を
利用して、効率的に混合ガスの分離を可能とするもので
あるが、それぞれ単機のみでは完全な分離作業は不可能
である。そこで、図4 に示すように、これらの単機を複
数台多段連結してプラント（カスケード）を形成し、ガ
スを何度も分離工程あるいはフィードバック工程にかけ
てゆくことで、単機当たりの分離効率如何に関らず、実
際の濃度条件を満たし得る高精度の分離が可能となる。

【００２２】次に、本発明の第5 の実施の形態を図5 を
参照して説明する。ここで、図5 は、中空糸膜材を用い
た場合の混合ガスの透過率の相違を利用してガス分離を
行う装置を示しており、円筒状の容器32内に中空糸を束
ねた中空糸束31を密閉配置し、この中空糸束31の両端に
は容器32外から混合ガスを引込む引込口35と、SF6 ガス
を容器32外へ吹出す吹出口34とを形成するとともに、容
器32には窒素ガスを吹出す窒素吹出口33を形成したもの
を示している。

【００２３】ここで、分離効率を高めるべく中空糸束31
はなるべく距離をかせぎつつもコンパクトに配置するこ
とが望ましいが、これを無秩序に配置した場合は後の保
守点検が不可能となってしまう。そこで、中空糸束31は
きちんとまとめるように配置するべく、本実施形態では
図に示すように螺旋形状の配置を採用した。

【００２４】また、この中空糸束31を拡大した状態を図
6 に示す。ここで、単位当たりの中空糸36内部では、混
合ガスが高圧で吹き込まれ、糸皮の表面から窒素ガスを
吹出し続ける。また、分離効率を高めるためには単位中
空糸が多ければ多いほど良い。また、止め具37は、中空
糸束31の保守点検の便宜のために用いる。

【００２５】また、図7 は、中空糸36の糸皮38における
窒素ガス39の透過メカニズムを現した概念図である。こ
こで、(a) は、表皮38に形成された、SF6 ガス40の分子
径よりも小さい微小孔を、分子径のより小さい窒素ガス
39のみが透過する状態を示し、(b) は、糸皮38への窒素
ガス39の溶け込み易さを利用した透過状態を示したもの
である。なお、かかる透過原理は前述した第2 実施形態
の拡散膜11のものと同様である。

【００２６】本実施形態では、中空糸の最適設計、本数
及び全体の長さ調整により、第4 実施形態に示すような
カスケードを構成せずとも単機あたりの分離効率を向上
せしめることが可能となる。

【００２７】なお、以上第1 から第5 までの実施形態
は、いずれもSF6 ガスと窒素ガスとの特性の相違に着目
した分離技術であるが、任意のガスから成る混合ガスに
ついて、その分離対象ガスの特性相違に類似の関係があ
れば本発明を適用可能なことは言うまでもない次に、本
発明の更に他の実施形態を説明する。混合ガスを分離す
る技術については、両ガスの凝縮点の相違に着目し、混
合ガスを冷却かつ( あるいは) 加圧することで、凝縮点
のより高いSF6 ガスのみを液化して除去するものが従来
から提案されている。しかし、ここで問題となるのは、
図8 に示すように、SF6 の液化に要する圧力が、混合ガ
ス中のSF6 ガス濃度にほぼ反比例する形で必要となるこ
とである。すなわち、SF6 ガス濃度が低い混合ガスを分
離するためには、コンプレッサーの出力が過大となるた
め、設備が大型化するとともに膨大なエネルギーを費や
すこととなる。

【００２８】そこで、かかる液化による分離技術を効率
的に実用化するにあたって、第1 から第5 までの実施形
態による分離装置等を融合せしめるシステムを図9 に示
す。すなわち、絶縁機器41から回収した混合ガスを、水
分及び分解ガスを除去するための吸着槽42、及び炭素粉
末等の粉塵を除去するためのフィルター43を通過させる
ことによりクリーンなものとする。ここで、吸着槽42及
びフィルター43は粉塵等の性質次第でフィルター43を先
に配置しても良いし、あるいは多段に配置しても良い。
その後、混合ガスは分離装置44に入力され、ここでSF6
濃度が所定値まで上げられる( 当該所定値は後述する液
化装置45の出力規模により異なった値となる) 。その
後、濃縮された混合ガスは、冷凍機46あるいは図示せぬ
液体窒素ボンベを併設した液化装置45に入力され、ここ
で冷却加圧加工がなされることにより、SF6 のみが液化
される。ここで、液化されたSF6 はSF6 タンク47に充填
されることによりその後の再利用の工程がなされる。一
方、液化装置45にて残さとして残留したガスは、大部分
が窒素であるが、微量にSF6 蒸気が残っている。このSF
6 蒸気を除去すべく再び分離装置44にガスを送り込むフ
ィードバック工程に戻せば良い。また、このSF6 濃度は
微量であるため( 通常は飽和蒸気圧との関係で定まって
くる) 、このフィードバックが却ってコスト高になる場
合は、混合ガスは化学処理装置48に送られる。ここで
は、一酸化カルシウム(CaO) 等との化学反応がなされ、
微量のSF6 は固体である弗化カルシウム(CaF2)等に分解
される。具体的な反応温度は、特定の触媒を用いた場合
は300 ℃でも反応が確認されたが、触媒を用いずとも50
0 ℃の高温雰囲気下で反応の促進が確認された。さて、
化学処理装置48を出たガスはもはや純粋な窒素ガスとし
て環境中に放出される。

【００２９】ここで、分離装置44として第1 から第5 ま
での実施形態に述べた分離装置( 多段構成した第4 実施
形態については分離システム) を用いれば、混合ガスに
対してある程度のSF6 濃縮が可能となるため、その後液
化装置45に送った混合ガスの液化工程が前述したように
容易となる。すなわち、コンプレッサー等を含めたシス
テムの小型化及び、分離に際しての省エネ化が可能とな
る。

【００３０】また、SF6 が低濃度の混合ガスについて
は、液化装置45はもちろん分離装置44を用いても分離が
困難であった( カスケードを構成しても大規模プラント
となってしまう) 。ここで、かかる混合ガスを効率的に
除去するべく、化学処理装置48による固化処分をシステ
ムに適宜組込むことで、本システム全体が環境に対して
より一層安全なものとなる。従って分離装置44から窒素
ガスを放出する工程に化学処理装置48を組込んでも良
い。

【００３１】

【発明の効果】以上本発明の分離装置においては、SF6
ガスと窒素ガスとの質量差等の特性相違を利用して、効
率よく両ガスから成る混合ガスの分離を行うことが可能
となるとともに、当該装置と組み合せて一定値まで濃縮
した混合ガスを効率的に液化し得る分離システムをも提
案できるため、SF6 ガスのリサイクル、あるいは分解等
の安全処分をも現実化し、ひいては混合ガス機器の実適
用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】質量差等を利用した、本発明の第1 の実施形態
の混合ガス分離装置を示す図。

【図２】平均速度差等を利用した、本発明の第2 の実施
形態の混合ガス分離装置を示す図。

【図３】質量差を利用した、本発明の第3 の実施形態の
混合ガス分離装置を示す図。

【図４】混合ガス分離装置を多段構成した、本発明の第
4 の実施形態を示す状態図。

【図５】中空糸膜材に対する混合ガスの透過率の差を利
用した、本発明の第5 の実施形態の混合ガス分離装置を
示す図。

【図６】中空糸を束ねた中空糸束の拡大図。

【図７】中空糸の糸皮における窒素ガスの透過メカニズ
ムを現した概念図。

【図８】等温時における窒素とSF6 とから成る混合ガス
の、液化に要する混合比と液化圧力との相関関係を示す
図。

【図９】本発明の液化による分離システムを示す概念
図。

【符号の説明】

1 ・・・連続多孔質体、11・・・拡散膜、21・・・回転体、31
・・・ガス分離部、2 、12、22、32・・・容器、3 、13、2
3、33・・・窒素引出口、4 、14、24、34・・・ SF6引出口、
5 、15、25、35・・・引込口、44・・・分離装置、45・・・液
化装置、48・・・化学処理装置。

フロントページの続き (72)発明者村瀬洋神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者鈴木和之東京都港区芝浦一丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内Ｆターム(参考） 4D002 AA01 AA22 AC10 BA04 BA14 CA07 DA05 DA11 EA01 FA02 GA02 GA03 GB02 GB03 GB04 4D006 GA41 GA48 HA08 HA18 HA41 KA53 KA55 KA56 MA01 MA03 MC14X PA04 PB19 PB63 PB70 4D047 AA07 BA02 BB03 BB09 CA06 CA09 DA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下方に混合ガスを引込むためのガス引込口
及び混合ガス中のより重いガスを吹出すためのガス吹出
口を形成するとともに上方には混合ガス中のより軽いガ
スを吹出すためのガス吹出口を形成する容器と、前記容
器内に充填されてなる連続多孔質体とを有することを特
徴とする混合ガス分離装置。
【請求項２】混合ガスを引込むためのガス引込口を形
成するとともに混合ガス中のより重いガスを吹出すため
のガス吹出口及び混合ガス中のより軽いガスを吹出すた
めのガス吹出口を形成する容器と、前記混合ガス中のよ
り重いガスを吹出すためのガス吹出口と前記混合ガス中
のより軽いガスを吹出すためのガス吹出口とが、前記容
器内にて拡散膜で区分されてなることを特徴とする混合
ガス分離装置。
【請求項３】前記容器には容器内の上方部を加熱するた
めの手段が設置されてなることを特徴とする請求項2 記
載の混合ガス分離装置。
【請求項４】内部に回転体を有する容器と、前記容器外
部から混合ガスを引込むためのガス引込口、回転軸心近
傍に形成された容器外部へのガス引出口、回転体内周壁
近傍に形成された容器外部へのガス引出口、をそれぞれ
形成してなる回転体と、この回転体を回転せしめる駆動
部と、を有する混合ガス分離装置。
【請求項５】前記ガス分離装置は複数段に多段連結さ
れ、混合ガスは複数回の分離工程にかけられるととも
に、複数回のフィードバック工程にかけられることを特
徴とする、請求項1 乃至4 までのいずれか1 に記載の混
合ガス分離システム。
【請求項６】両端に混合ガスを引込むためのガス引込口
及びガス吹出口とを備えた複数の中空糸を束ねた中空糸
束と、これを密閉収納するとともに中空糸膜から透過し
たガスを吹出すための吹出口と前記中空糸の両端を構成
するガス引込口及びガス吹出口とを形成した容器と、を
有することを特徴とするガス分離装置。
【請求項７】混合ガスのSF6 濃度を所定値まで高める混
合ガス分離装置と、この装置から出力された高SF6 濃度
の混合ガスを低温あるいは高圧加工することで液化する
液化装置と、を有する混合ガス分離システム。
【請求項８】混合ガスのSF6 濃度を所定値まで高める混
合ガス分離装置と、この装置から出力された高SF6 濃度
の混合ガスを冷却あるいは加圧加工することで液化する
液化装置と、を有し、前記混合ガス分離装置が、請求項
1 乃至6 までのいずれか1 に記載の分離装置あるいは分
離システムであることを特徴とする混合ガス分離システ
ム。
【請求項９】システムから放出される低SF6 濃度の混合
ガスについては一酸化カルシウム等との化学反応工程に
送ることを特徴とする請求項7 あるいは請求項8 記載の
混合ガス分離システム。