JP6468995B2 - 圧力スイング吸着法によるガス分離方法及び設備 - Google Patents

Description

本発明は、圧力スイング吸着法により原料ガス（混合ガス）から特定ガス成分を分離回収する（例えば、製鉄所副生ガスから二酸化炭素ガスを分離回収する）ためのガス分離方法及びガス分離設備に関するものである。

従来、原料ガス（混合ガス）に含まれる特定のガス成分を分離回収する方法として、圧力スイング吸着法（以下、ＰＳＡ法という）が広く用いられている（例えば、特許文献１）。ＰＳＡ法は、吸着剤に対するガス成分の吸着量が、ガス種及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り、吸着剤に特定ガス成分を吸着させる工程（吸着工程）、吸着剤への特定ガス成分の吸着率を高める工程（洗浄工程）、及び吸着した特定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）を含む。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。例えば、ボイラー排ガスや燃焼排ガスなどを原料ガスとして、ＰＳＡ法により化学原料やドライアイス用の二酸化炭素ガスが製造されている。

図１０は、ＰＳＡ法により原料ガスから二酸化炭素ガス（ＣＯ_２）を分離回収する従来設備を示している。このＰＳＡ設備３０は３塔の吸着塔４１〜４３を備えており、これら吸着塔４１〜４３には吸着剤（例えば、ゼオライトなど）が充填されている。ここでは、吸着塔４１が吸着工程、吸着塔４２が洗浄工程、吸着塔４３が脱着工程をそれぞれ行っているものとして、原料ガス（例えば、高炉ガス）からＣＯ_２を分離回収する方法について説明する。なお、図中のＶ_１〜Ｖ_１２はガス配管に設けられた開閉バルブであり、白抜きのバルブは開状態を、黒塗りのバルブは閉状態をそれぞれ示している。

吸着工程が行われている吸着塔４１では、バルブＶ_１，Ｖ_４が開放され、ブロワー４５により原料ガス導入管４４を通じて原料ガスＣ_０が導入される。この原料ガスＣ_０は、吸着塔４１内の吸着剤にＣＯ_２が吸着され、そのオフガスＣ_１がオフガス排気管４７により排出される。この段階では、吸着塔４１内でＣＯ_２は濃縮されるものの、一般的には十分な濃度は得られていない。脱着工程が行われている吸着塔４３では、バルブＶ_１１が開放され、吸着されているＣＯ_２を吸着剤から脱着させ、濃縮されたＣＯ_２（ガスＣ_２）が真空ポンプ４６により排出される。この高濃度ＣＯ_２（ガスＣ_２）の一部は、回収ガスＣ_３として回収ガス排気管４８により排出され、残りは、洗浄ガス供給管４９により洗浄ガスＣ_４として洗浄工程にある吸着塔４２に導入される。洗浄工程にある吸着塔４２では、バルブＶ_６，Ｖ_８が開放され、洗浄ガスＣ_４が塔内に導入されて、吸着塔内の不要なガス成分がオフガスＣ_５としてオフガス排気管４７から排出される。この洗浄工程により、少量残留しているＣＯ_２以外のガス成分が、吸着剤から脱離されて吸着搭４２から排出され、これにより、吸着塔４２内には高濃度のＣＯ_２が残留することになる。上記の吸着工程、洗浄工程及び脱着工程を各吸着塔が順次行うことにより、原料ガスＣ_０から高濃度のＣＯ_２を回収ガスＣ_３として連続的に分離回収することができる。

特開２０１２−２５０２１５号公報

ＰＳＡ法ではガス分離に要する電力が大きいため、ガス分離コストの削減には、ＰＳＡにおける電力消費量の削減が必要である。特に製鉄所副生ガスからＣＯ_２を分離回収する場合、製鉄所副生ガスはＣＯ_２濃度が低い（例えば、高炉ガスでは２２vol％程度）ためＣＯ_２分離に要する電力消費が大きい。しかしながら、図１０に示すような従来の吸着塔を用いたＰＳＡ設備では、ガス流通方法に制約があるため電力消費量の削減が難しい。

すなわち、高炉ガスのような多成分混合ガスを原料ガスとする場合、吸着剤充填層にガスを流通する過程でガス組成が変化するため吸着剤へのガス吸着状態は一様にはならない。特に吸着剤充填層の上部領域は、下部領域を流通した後のＣＯ_２が少ないオフガスが流通するため、ＣＯ_２吸着量が低下する。また、吸着剤充填層の下部領域においてＣＯ_２が吸着されることにより、オフガス中のＣＯ_２以外のガス成分（Ｎ_２、ＣＯ等）の分圧が増加するので、上部領域においてＣＯ_２以外のガス成分の吸着量が増加し、当該領域での回収ＣＯ_２純度が低下する。このように従来の吸着塔では、ガスが吸着剤充填層を流通する上での本質的な制約から、不可避的に吸着剤充填層内でＣＯ_２吸着量や回収ＣＯ_２純度に分布を生じ、このため、少ない電力消費量で効率的なガス分離回収を行うことが難しい。

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るガス分離において、目的ガス成分の分離回収量を高めることができるガス分離方法及び設備を提供することにある。また、本発明のさらなる目的は、圧力スイング吸着法によるガス分離を少ない電力消費量で効率的に行うことができるガス分離方法及び設備を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］圧力スイング吸着法により原料ガスから特定ガス成分を分離回収するためのガス分離設備において、塔下端のガス入口部（１）と塔上端のガス出口部（２）との間に、複数の吸着剤充填層（３）を吸着剤が充填されない空間部（４）を介在させて直列状に設けるとともに、空間部（４）からガスを導入又は排出するガス出入口（５）を設けた吸着塔（Ａ）と、該吸着塔（Ａ）のガス入口部（１）とガス出口部（２）とガス出入口（５）に通じるガス流路（Ｂ）を備え、該ガス流路（Ｂ）に設けられる複数の開閉弁（６）による流路の切り替えにより、１つ以上の吸着剤充填層（３）をバイパスして吸着塔（Ａ）内にガスを流通させ得るようにしたことを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離設備。

［2］上記［1］のガス分離設備において、ガス流路（Ｂ）が、ガス入口部（１）に接続されたガス配管（７）と、ガス出口部（２）に接続されたガス配管（８）と、一端がガス配管（７）の途中に接続（１１）され、他端がガス配管（８）の途中に接続（１２）されたガス配管（９）と、一端がガス出入口（５）に接続され、他端がガス配管（９）の途中に接続（１３）されたガス配管（１０）を有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設備。

［3］圧力スイング吸着法により原料ガスから特定ガス成分を分離回収するためのガス分離方法において、上記［1］又は［2］のガス分離設備を用い、原料ガス又は洗浄ガスを１つ以上の吸着剤充填層（３）をバイパスして吸着塔（Ａ）内に流通させ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［3］のガス分離方法において、原料ガス又は洗浄ガスを吸着塔（Ａ）内に流通させる１つの工程中、一部の時間帯でのみ、１つ以上の吸着剤充填層（３）をバイパスして吸着塔（Ａ）内に原料ガス又は洗浄ガスを流通させ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［3］又は［4］のガス分離方法において、原料ガス又は洗浄ガスを吸着塔（Ａ）内に流通させる１つの工程中、原料ガス又は洗浄ガスをバイパスさせる吸着剤充填層（３）を変更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［5］のガス分離方法において、当該工程が終了するまでに、吸着塔（Ａ）内の全部の吸着剤充填層（３）に対する原料ガス又は洗浄ガスの流通がなされ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。

本発明によれば、吸着塔（Ａ）内に複数の吸着剤充填層（３）が多段に設けられ、原料ガス又は洗浄ガスを１つ以上の任意の吸着剤充填層（３）をバイパスして吸着塔（Ａ）内に流通させることができるため、１つの工程中で、原料ガス又は洗浄ガスを流通させる吸着剤充填層（３）を適宜選択・変更することにより、吸着塔（Ａ）内の吸着剤充填層全体においてガス吸着量や回収ガス純度に分布が生じることが防止できる。このため、圧力スイング吸着法によるガス分離を効率的に行うことができ、目的ガス成分の回収量を高めることができる。
さらに、圧力スイング吸着法によるガス分離を少ない電力消費量で効率的に行うことができ、特に、本発明法を洗浄工程に適用した場合にその効果が大きい。これにより、例えば、製鉄所副生ガス中の二酸化炭素ガスの分離回収において、二酸化炭素ガス回収量の増加及び回収に要する電力消費量の低減化が可能となる。

本発明のガス分離設備の一実施形態を示す説明図 本発明のガス分離設備の他の実施形態を示す説明図 本発明のガス分離設備の他の実施形態を示す説明図 図１のガス分離設備を用いた本発明法の一実施形態を示す説明図 図１のガス分離設備を用いた本発明法の他の実施形態を示す説明図 図２のガス分離設備を用いた本発明法の一実施形態を示す説明図 図１のガス分離設備を用いた本発明法の他の実施形態を示す説明図 図１のガス分離設備を用いた本発明法の他の実施形態を示す説明図 実施例において、洗浄工程でのオフガスのＣＯ濃度を測定した結果を示すグラフ 従来の圧力スイング吸着法によるガス分離設備の一例を示す説明図

本発明のガス分離設備は、圧力スイング吸着法により原料ガス（混合ガス）から特定ガス成分（目的ガス成分）を分離回収するためのガス分離設備である。
図１は、本発明のガス分離設備の一実施形態を示すものであり、ガス分離設備は吸着塔Ａと、この吸着塔Ａのガス導入・排出を行うガス流路Ｂを備えている。通常、吸着塔Ａは複数基（一般に３基以上）設けられ、これら複数の吸着塔Ａで吸着工程、洗浄工程、脱着工程が順次行われるとともに、常にいずれかの吸着塔Ａで上記各工程が行われるようにしている。

吸着塔Ａの下端にはガス入口部１が、上端にはガス出口部２がそれぞれ設けられ、これらガス入口部１とガス出口部２との間には、複数の吸着剤充填層３が、吸着剤が充填されない空間部４を間に介在させて直列状（多段式）に設けられている。この実施形態では、２つの吸着剤充填層３_ａ，３_ｂが設けられている。吸着剤充填層３_ａ，３_ｂ間には、空間部４からガスを導入又は排出するガス出入口５が設けられている。
なお、各吸着剤充填層３は、例えば、網状部材などのような通気性を有する仕切壁（図示せず）間に吸着剤が充填されたものであり、仕切壁を通じて吸着剤の充填層にガスが流通する。

ガス流路Ｂを構成するガス配管は、吸着塔Ａのガス入口部１とガス出口部２とガス出入口５に接続され、ガス流路Ｂはこれらガスの出入口と通じている。ガス流路Ｂの要所（複数箇所）には開閉弁６が設けられ、これら開閉弁６による流路の切り替えにより、１つ以上の任意の吸着剤充填層３（本実施形態では吸着剤充填層３_ａ、吸着剤充填層３_ｂのいずれか）をバイパスして吸着塔Ａ内にガスを流通させ得るようにしている。

具体的には、ガス流路Ｂは、ガス入口部１に接続されたガス配管７と、ガス出口部２に接続されたガス配管８と、一端がガス配管７の途中に接続１１され、他端がガス配管８の途中に接続１２されたガス配管９と、一端がガス出入口５に接続され、他端がガス配管９の途中に接続１３されたガス配管１０で構成されている。そして、ガス配管７のうちガス入口部１と接続部１１間の配管部分７０に開閉弁６_ａが、ガス配管８のうちガス出口部２と接続部１２間の配管部分８０に開閉弁６_ｂが、ガス配管９のうち接続部１１と接続部１３間の配管部分９０に開閉弁６_ｃが、ガス配管９のうち接続部１２と接続部１３間の配管部分９１に開閉弁６_ｄが、それぞれ設けられている。

このような構成によれば、開閉弁６_ａ〜６_ｄの開閉による流路の切り替えにより、吸着剤充填層３_ａ又は吸着剤充填層３_ｂをバイパスして吸着塔Ａ内にガスを流通させることができる。
なお、図示しないが、図１０のガス流路と同様に、ガス配管７は複数の分岐管に分岐し、その分岐管の１つは原料ガスの供給系に通じている。また、その他の分岐管は、他の吸着塔Ａのガス配管に通じ、他の吸着塔Ａで脱着された脱着ガスを洗浄ガスとして供給できるようにしている。この構成は、図２、図３の実施形態でも同様である。

吸着塔Ａ内に設けられる吸着剤充填層３の層数に特別な制限はないが、層数が多いと開閉弁の配置や配管レイアウトなど設計上の制約も多くなるため、２〜４程度が適当である。
図２は、本発明のガス分離設備において４層の吸着剤充填層３を設けた実施形態を示すものである。
吸着塔Ａのガス入口部１とガス出口部２との間には、４層の吸着剤充填層３_Ａ〜３_Ｄが、吸着剤が充填されない空間部４_Ａ〜４_Ｃを間に介在させて直列状（多段式）に設けられている。隣接する吸着剤充填層３間には、それぞれの空間部４_Ａ〜４_Ｃからガスを導入又は排出するガス出入口５_Ａ〜５_Ｃが設けられている。

本実施形態でも、ガス流路Ｂを構成するガス配管は、吸着塔Ａのガス入口部１とガス出口部２とガス出入口５_Ａ〜５_Ｃに接続され、ガス流路Ｂはこれらガスの出入口と通じている。ガス流路Ｂの要所（複数箇所）には開閉弁６が設けられ、これら開閉弁６による流路の切り替えにより、１つ以上の任意の吸着剤充填層３（例えば、吸着剤充填層３_Ａ〜３_Ｄのいずれか、或いは吸着剤充填層３_Ａ＋３_Ｂ、吸着剤充填層３_Ａ＋３_Ｂ＋３_Ｃ、吸着剤充填層３_Ｃ＋３_Ｄなど）をバイパスして吸着塔Ａ内にガスを流通させ得るようにしている。

ガス流路Ｂを構成するガス配管は、ガス入口部１に接続されたガス配管７、ガス出口部２に接続されたガス配管８、一端がガス配管７の途中に接続１１され、他端がガス配管８の途中に接続１２されたガス配管９については、図１の実施形態と同様である。本実施形態のガス流路Ｂは、さらに、一端がガス出入口５_Ａに接続され、他端がガス配管９の途中に接続１４されたガス配管１０_Ａと、一端がガス出入口５_Ｂに接続され、他端がガス配管９の途中に接続１５されたガス配管１０_Ｂと、一端がガス出入口５_Ｃに接続され、他端がガス配管９の途中に接続１６されたガス配管１０_Ｃを有している。そして、ガス配管７のうちガス入口部１と接続部１１間の配管部分７０に開閉弁６_Ａが、ガス配管８のうちガス出口部２と接続部１２間の配管部分８０に開閉弁６_Ｂが、ガス配管９のうち接続部１１と接続部１４間の配管部分９２に開閉弁６_Ｃが、ガス配管９のうち接続部１４と接続部１５間の配管部分９３に開閉弁６_Ｄが、ガス配管９のうち接続部１５と接続部１６間の配管部分９４に開閉弁６_Ｅが、ガス配管９のうち接続部１６と接続部１２間の配管部分９５に開閉弁６_Ｆが、ガス配管１０_Ａに開閉弁６_Ｇが、ガス配管１０_Ｂに開閉弁６_Ｈが、ガス配管１０_Ｃに開閉弁６_Ｉが、それぞれ設けられている。
このような構成によれば、開閉弁６_Ａ〜６_Ｉの開閉による流路の切り替えにより、１つ以上の吸着剤充填層３をバイパスして吸着塔Ａ内にガスを流通させることができる。

図３は、本発明のガス分離設備において３層の吸着剤充填層３を設けた実施形態を示すものである。
吸着塔Ａのガス入口部１とガス出口部２との間には、３層の吸着剤充填層３_Ｅ〜３_Ｇが、吸着剤が充填されない空間部４_Ｄ，４_Ｅを間に介在させて直列状（多段式）に設けられている。隣接する吸着剤充填層３間には、それぞれの空間部４_Ｄ，４_Ｅからガスを導入又は排出するガス出入口５_Ｄ，５_Ｅが設けられている。

本実施形態でも、ガス流路Ｂを構成するガス配管は、吸着塔Ａのガス入口部１とガス出口部２とガス出入口５_Ｄ，５_Ｅに接続され、ガス流路Ｂはこれらガスの出入口と通じている。ガス流路Ｂの要所（複数箇所）には開閉弁６が設けられ、これら開閉弁６による流路の切り替えにより、１つ以上の任意の吸着剤充填層３（例えば、吸着剤充填層３_Ｅ〜３_Ｇのいずれか、或いは吸着剤充填層３_Ｅ＋３_Ｆ、吸着剤充填層３_Ｆ＋３_Ｇ）をバイパスして吸着塔Ａ内にガスを流通させ得るようにしている。

ガス流路Ｂを構成するガス配管は、ガス入口部１に接続されたガス配管７、ガス出口部２に接続されたガス配管８、一端がガス配管７の途中に接続１１され、他端がガス配管８の途中に接続１２されたガス配管９については、図１の実施形態と同様である。本実施形態のガス流路Ｂは、さらに、一端がガス出入口５_Ｄに接続され、他端がガス配管９の途中に接続１７されたガス配管１０_Ｄと、一端がガス出入口５_Ｅに接続され、他端がガス配管９の途中に接続１８されたガス配管１０_Ｅを有している。そして、ガス配管７のうちガス入口部１と接続部１１間の配管部分７０に開閉弁６_Ｊが、ガス配管８のうちガス出口部２と接続部１２間の配管部分８０に開閉弁６_Ｋが、ガス配管９のうち接続部１１と接続部１７間の配管部分９６に開閉弁６_Ｌが、ガス配管９のうち接続部１７と接続部１８間の配管部分９７に開閉弁６_Ｍが、ガス配管９のうち接続部１８と接続部１２間の配管部分９８に開閉弁６_Ｎが、ガス配管１０_Ｄに開閉弁６_Ｏが、ガス配管１０_Ｅに開閉弁６_Ｐが、それぞれ設けられている。
このような構成によれば、開閉弁６_Ｊ〜６_Ｐの開閉による流路の切り替えにより、１つ以上の任意の吸着剤充填層３をバイパスして吸着塔Ａ内にガスを流通させることができる。

次に、本発明のガス分離方法について説明する。
本発明のガス分離方法は、圧力スイング吸着法により原料ガスから特定ガス成分（目的ガス成分）を分離回収するためのガス分離方法であり、上述したようなガス分離設備を用い、原料ガス又は洗浄ガスを１つ以上の吸着剤充填層３をバイパスして吸着塔Ａ内に流通させるものである。以下、原料ガスからＣＯ_２を分離回収する場合を例に説明する。なお、便宜上、図４〜図８においては開閉弁６を含むガス流路Ｂの大部分の図示を省略してある。

図４及び図５は、それぞれ図１のガス分離設備を用いた本発明法の実施形態を示すものであり、破線が流通するガスの経路を示している。
図４の実施形態では、図１の開閉弁６_ａ、開閉弁６_ｄを閉、開閉弁６_ｂ、開閉弁６_ｃを開にして、ガス（原料ガス又は洗浄ガス）を下段の吸着剤充填層３_aをバイパスして上段の吸着剤充填層３_ｂにのみ流通させている。
また、図５の実施形態では、図１の開閉弁６_ｂ、開閉弁６_ｃを閉、開閉弁６_ａ、開閉弁６_ｄを開にして、ガス（原料ガス又は洗浄ガス）を上段の吸着剤充填層３_bをバイパスして下段の吸着剤充填層３_ａにのみ流通させている。

また、図６は、図２のガス分離設備を用いた本発明法の実施形態を示すものであり、この場合は、実線と破線がそれぞれ別々の実施形態で流通するガスの経路を示している。
実線の実施形態では、図２の開閉弁６_Ｂ、開閉弁６_Ｃ、開閉弁６_Ｄ、開閉弁６_Ｇ、開閉弁６_Ｉを閉、開閉弁６_Ａ、開閉弁６_Ｈ、開閉弁６_Ｅ、開閉弁６_Ｆを開にして、ガス（原料ガス又は洗浄ガス）を上側２段の吸着剤充填層３_Ｃ，３_Ｄをバイパスして下側２段の吸着剤充填層３_Ａ，３_Ｂにのみ流通させている。
また、破線の実施形態では、図２の開閉弁６_Ａ、開閉弁６_Ｇ、開閉弁６_Ｈ、開閉弁６_Ｆを閉、開閉弁６_Ｃ、開閉弁６_Ｄ、開閉弁６_Ｅ、開閉弁６_Ｉ、開閉弁６_Ｂを開にして、ガス（原料ガス又は洗浄ガス）を最上段以外の吸着剤充填層３_Ａ〜３_Ｃをバイパスして最上段の吸着剤充填層３_Ｄにのみ流通させている。
本発明法で吸着塔Ａ内に流通させるガスは、吸着工程での原料ガス（特定ガス成分を吸着分離すべき原料ガス）又は洗浄工程での洗浄ガス（他の吸着塔の脱着工程で脱着された脱着ガスの一部）である。

さきに述べたように、高炉ガスのような多成分混合ガスを原料ガスとする場合、吸着剤充填層にガスを流通する過程でガス組成が変化するため吸着剤へのガス吸着状態は一様にはならない。単一の吸着剤充填層を備える従来の吸着塔では、特に吸着剤充填層の上部領域は、下部領域を流通した後のＣＯ_２が少ないオフガスが流通するため、ＣＯ_２吸着量が低下する。また、吸着剤充填層の下部領域においてＣＯ_２が吸着されることにより、オフガス中のＣＯ_２以外のガス成分（Ｎ_２、ＣＯ等）の分圧が増加するので、上部領域においてＣＯ_２以外のガス成分の吸着量が増加し、当該領域での回収ＣＯ_２純度が低下する。このように従来の吸着塔では、ガスが吸着剤充填層を流通する上での本質的な制約から、不可避的に吸着剤充填層内でＣＯ_２吸着量や回収ＣＯ_２純度に分布を生じ、このため、少ない電力消費量で効率的なガス分離回収を行うことが難しい。

これに対して、本発明によれば、例えば下記の（i）、（ii）のような方法を採ることができ、上記のような従来技術の問題を解消することができる。
（i）原料ガス又は洗浄ガスを吸着塔Ａ内に流通させる１つの工程中、一部の時間帯でのみ、１つ以上の吸着剤充填層３をバイパスして吸着塔Ａ内に原料ガス又は洗浄ガスを流通させ、その他の時間帯では吸着塔Ａ内の全部の吸着剤充填層３に原料ガス又は洗浄ガスを流通させる。吸着剤充填層３に原料ガス又は洗浄ガスを流通させると、ガス中のＣＯ_２が吸着剤に吸着されるが、ガス流通時間が長くなるとＣＯ_２吸着量が平衡吸着量に近くなり、ガス中のＣＯ_２が吸着剤に吸着されなくなる。そのような状況で吸着剤充填層３にガスを流通させても、不要な圧力損失を発生させるだけであり、ＣＯ_２吸着量増加には寄与しない。そこで、ガス流通経路を時間に応じて変更することで、ガス流通を促進し、より効率良く吸着剤にＣＯ_２を吸着させることができる。また、従来の吸着塔ではＣＯ_２吸着量が少なかった吸着塔上部領域にも、ＣＯ_２濃度の高い原料ガスをそのまま導入することができるので、吸着塔上部領域により多くのＣＯ_２を吸着させることができる。

（ii）原料ガス又は洗浄ガスを吸着塔Ａ内に流通させる１つの工程中、原料ガス又は洗浄ガスをバイパスさせる吸着剤充填層３を変更する。この場合、当該工程が終了するまでに、吸着塔Ａ内の全部の吸着剤充填層３に対する原料ガス又は洗浄ガスの流通がなされるようにすることができる。この（ii）の方法を採る理由も、上記（i）の方法の理由と基本的に同じである。
なお、上記（i）、（ii）の方法は、組み合わせて実施することも可能である。すなわち、上記（i）において、１つ以上の吸着剤充填層３をバイパスして吸着塔Ａ内に原料ガス又は洗浄ガスを流通させる場合、その間に、原料ガス又は洗浄ガスをバイパスさせる吸着剤充填層３を変更することができる。

図７は、図１のガス分離設備を用いた上記（i）の方法の一実施形態を示すものであり、実線、破線はそれぞれある時間帯に流通するガスの経路を示している。この実施形態では、同一ガスを吸着塔Ａ内に流通させる１つの工程（吸着工程又は洗浄工程）において、例えば、工程時間１００秒のうち５０秒では実線のように吸着塔Ａ内の全部の吸着剤充填層３（吸着剤充填層３_ａ，３_ｂ）にガスを流通させ、残りの５０秒では破線のように下段の吸着剤充填層３_ａをバイパスして上段の吸着剤充填層３_ｂにのみガスを流通させる。

上述したように、単一の吸着剤充填層を備える従来の吸着塔では、上部側の吸着剤充填層は、下部側の吸着剤充填層に較べてＣＯ_２吸着量が低下し、回収ＣＯ_２純度も低下するが、図７の方法では、工程の一部の時間帯で、破線のように下段の吸着剤充填層３_ａをバイパスして上段の吸着剤充填層３_ｂにのみガスを流通させるので、上段の吸着剤充填層３_ｂのＣＯ_２吸着量や回収ＣＯ_２純度が下段の吸着剤充填層３_ａよりも低くなるのを防止して、吸着塔内のＣＯ_２吸着量分布をより均一化することができる。

なお、図２のガス分離設備を用いた上記（i）の方法では、例えば、最初は吸着塔Ａ内の全部の吸着剤充填層３にガスを流通させ、途中から下段側の吸着剤充填層３_Ａ，３_Ｂをバイパスして上段側の吸着剤充填層３_Ｃ，３_Ｄにのみガスを流通させる。或いは、最初は吸着塔Ａ内の全部の吸着剤充填層３にガスを流通させ、途中から下段側の吸着剤充填層をバイパスして上段側の吸着剤充填層にガスを流通させるが、その際、ガスをバイパスさせる吸着剤充填層の数を下段側から順に増やしていく。すなわち、まず、吸着剤充填層３_Ａをバイパスして吸着剤充填層３_Ｂ，３_Ｃ，３_Ｄにのみガスを流通させ、次いで、吸着剤充填層３_Ａ，３_Ｂをバイパスして吸着剤充填層３_Ｃ，３_Ｄにのみガスを流通させ、次いで、吸着剤充填層３_Ａ，３_Ｂ，３_Ｃをバイパスして吸着剤充填層３_Ｄにのみガスを流通させる。
また、図３のガス分離設備を用いた上記（i）の方法では、例えば、最初は吸着塔Ａ内の全部の吸着剤充填層３にガスを流通させ、途中から下段の吸着剤充填層３_Ｅをバイパスして中段・上段の吸着剤充填層３_Ｆ，３_Ｇにのみガスを流通させ、次いで、下段・中段の吸着剤充填層３_Ｅ，３_Ｆをバイパスして上段の吸着剤充填層３_Ｇにのみガスを流通させる。

図８は、図１のガス分離設備を用いた上記（ii）の方法の一実施形態を示すものであり、実線、破線はそれぞれある時間帯に流通するガスの経路を示している。この実施形態では、同一ガスを吸着塔Ａ内に流通させる１つの工程（吸着工程又は洗浄工程）において、例えば、工程時間１００秒のうち５０秒では実線のように上段の吸着剤充填層３_ｂをバイパスして下段の吸着剤充填層３_ａにのみガスを流通させ、残りの５０秒では破線のように下段の吸着剤充填層３_ａをバイパスして上段の吸着剤充填層３_ｂにのみガスを流通させる。このように各吸着剤充填層毎にガスを流通させることにより、不純物濃度が高いオフガスによって吸着塔上部領域で吸着されるＣＯ_２純度が低下するのを防止することができる。すなわち、この方法は、洗浄工程において洗浄オフガス（不純物濃度が高いガス）による吸着塔上部領域の汚染を防止するのに特に有効な方法である。

なお、図２のガス分離設備を用いた上記（ii）の方法では、例えば、吸着剤充填層３_Ａ〜３_Ｄに対して１つずつ順にガスを流通させる（他の３つの吸着剤充填層３はバイパスさせる）ようにしてもよいし、或いは、最初は吸着剤充填層３_Ｃ，３_Ｄをバイパスして吸着剤充填層３_Ａ，３_Ｂにのみガスを流通させ、次いで、吸着剤充填層３_Ａ，３_Ｄをバイパスして吸着剤充填層３_Ｂ，３_Ｃにのみガスを流通させ、次いで、吸着剤充填層３_Ａ，３_Ｂをバイパスして吸着剤充填層３_Ｃ，３_Ｄにのみガスを流通させ、最後に、吸着剤充填層３_Ａ，３_Ｂ，３_Ｃをバイパスして吸着剤充填層３_Ｄにのみガスを流通させるようにしてもよい。

また、図３のガス分離設備を用いた上記（ii）の方法では、例えば、吸着剤充填層３_Ｅ〜３_Ｇに対して１つずつ順にガスを流通させる（他の２つの吸着剤充填層３はバイパスさせる）ようにしてもよいし、或いは、最初は吸着剤充填層３_Ｇをバイパスして吸着剤充填層３_Ｅ，３_Ｆにのみガスを流通させ、次いで、吸着剤充填層３_Ｅをバイパスして吸着剤充填層３_Ｆ，３_Ｇにのみガスを流通させ、最後に、吸着剤充填層３_Ｅ，３_Ｆをバイパスして吸着剤充填層３_Ｇにのみガスを流通させるようにしてもよい。

したがって、上記（i）又は／及び（ii）の方法を採ることにより、吸着剤充填層全体においてＣＯ_２吸着量や回収ＣＯ_２純度に分布が生じることが防止され、圧力スイング吸着法によるガス分離を少ない電力消費量で効率的に行うことができる。このため、ＣＯ_２回収量の増加及び回収に要する電力消費量の低減化を図ることができる。
なお、図７、図８における実線、破線のガス経路の切り替えのタイミングは、例えば、赤外線連続ガス分析計等で分析されるオフガス組成（不純物濃度）に基づいて決定する。また、上述したような図２、図３のガス分離設備を用いて上記（i）、（ii）の方法を採る場合も同様である。
ここで、上記（i）、（ii）の方法で一部の吸着剤充填層をバイパスさせてガスを流通させる場合、吸着工程では下段側の吸着剤充填層をバイパスさせ、洗浄工程では上段側の吸着剤充填層をバイパスさせる運転が特に効果的である。

なお、本発明法が最も効果があるのは洗浄工程でバイパス運転（一部の吸着剤充填層をバイパスさせてガスを流通させる運転）を行った場合であり、特に電力消費量を低減する上で効果がある。したがって、発明の効果の点からは、洗浄工程でバイパス運転をするか、吸着工程と洗浄工程の両方でバイパス運転をすることがより好ましい。
本発明は種々の原料ガスから特定ガス成分（目的ガス成分）を分離回収するために用いることができるが、特に、製鉄所副生ガス（高炉ガスなど）中の二酸化炭素ガスの分離回収設備及び分離回収方法として有用であり、二酸化炭素ガス回収量の増加及び回収に要する電力消費量の低減化を可能とするものである。

図１に示すような構成を有するＰＳＡ試験装置（３塔の吸着塔Ａを備えた装置）により、原料ガスである高炉ガスからＣＯ_２を分離回収する実証試験を行った。吸着塔Ａは、上下２段の吸着剤充填層３_ａ，３_ｂを備え、内径φ６００ｍｍ、吸着剤充填層厚さ６５５ｍｍ（×２段）とした。吸着剤としては、ＣＯ_２吸着剤である１３Ｘゼオライトを２４０ｋｇ／塔を用いた。
試験条件は、吸着圧５０ｋＰａＧ、脱着圧−９５ｋＰａＧ、サイクルタイム３００秒、回収ＣＯ_２濃度９０vol％で一定とし、ガスの流通形態を表１の条件とした試験を実施して回収ＣＯ_２量及び真空ポンプ電力原単位の評価を行った。その結果を表１に示す。なお、吸着工程、洗浄工程、脱着工程の実施時間は各１００秒としたが、表１及び以下の記載では、全工程の通しの実施時間（０〜３００秒）中での時間で示してある。

発明例１では、吸着工程（０〜１００秒）において、最初は原料ガスを下段・上段の吸着剤充填層３_ａ，３_ｂに流通させ、開始７０秒後、図４に示すように下段の吸着剤充填層３_ａをバイパスさせて上段の吸着剤充填層３_ｂにのみ原料ガスを流通させた。
発明例２では、発明例１と同様に、吸着工程（０〜１００秒）において、最初は原料ガスを下段・上段の吸着剤充填層３_ａ，３_ｂに流通させ、開始７０秒後、図４に示すように下段の吸着剤充填層３_ａをバイパスさせて上段の吸着剤充填層３_ｂにのみ原料ガスを流通させた。さらに、洗浄工程（１００〜２００秒）において、最初から図５に示すように上段の吸着剤充填層３_ｂをバイパスさせて下段の吸着剤充填層３_ａにのみ原料ガスを流通させた。
なお、比較例は、いずれの工程でも吸着剤充填層３_ａ又は吸着剤充填層３_ｂに対するガスのバイパスを行わないものであるから、単一の吸着剤充填層を備える従来の吸着塔を使用した場合に相当する。

表１によれば、発明例１，２は比較例に較べてＣＯ_２回収量が増加している。また、発明例の中でも洗浄工程で上段の吸着剤充填層をバイパスさせた発明例２は、比較例に較べて真空ポンプ電力原単位が低減している。

また、図９は、比較例と発明例２の洗浄工程（脱着ガスを再利用してＣＯ_２高純度化を行う工程）でのオフガスのＣＯ濃度を、赤外線連続ガス分析計を用いて測定した結果を示している。ＣＯは、ＣＯ_２回収時の不純物成分である。図９によれば、発明例２は、比較例に較べて不純物であるＣＯの除去効率が高いことが判る。比較例では、下段の吸着剤充填層（従来の吸着塔が備えるような単一の吸着剤充填層の場合には、吸着剤充填層の下部に相当する）を流通させた洗浄オフガスを引き続き上段の吸着剤充填層（従来の吸着塔が備えるような単一の吸着剤充填層の場合には、吸着剤充填層の上部に相当する）に流通させるため、上段の吸着剤充填層にＣＯが再付着し、このためＣＯ除去効率が低くなる。

Ａ 吸着塔
Ｂ ガス流路
１ ガス入口部
２ ガス出口部
３，３_ａ，３_ｂ，３_Ａ，３_Ｂ，３_Ｃ，３_Ｄ，３_Ｅ，３_Ｆ，３_Ｇ 吸着剤充填層
４，４_Ａ，４_Ｂ，４_Ｃ，４_Ｄ，４_Ｅ 空間部
５，５_Ａ，５_Ｂ，５_Ｃ，５_Ｄ，５_Ｅ ガス出入口
６，６_ａ，６_ｂ，６_ｃ，６_ｄ，６_Ａ，６_Ｂ，６_Ｃ，６_Ｄ，６_Ｅ，６_Ｆ，６_Ｇ，６_Ｈ，６_Ｉ，６_Ｊ，６_Ｋ，６_Ｌ，６_Ｍ，６_Ｎ 開閉弁
７，８，９，１０，１０_Ａ，１０_Ｂ，１０_Ｃ，１０_Ｄ，１０_Ｅ ガス配管
１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８ 接続部
７０，８０，９０，９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８ 配管部分

Claims (9)

1. 吸着塔に原料ガスを導入し、原料ガス中の特定ガス成分を吸着する吸着工程と、脱着工程が行われている他の吸着塔の脱着ガスの一部を、前記吸着工程が完了した吸着塔に洗浄ガスとして導入し、該吸着塔に吸着されている特定ガス成分以外の不要なガス成分を脱離させて排出する洗浄工程と、該洗浄工程が完了した吸着塔に吸着されている特定ガス成分を脱着させて回収する脱着工程と、を有する圧力スイング吸着法により、原料ガスである製鉄所副生ガスから特定ガス成分である二酸化炭素ガスを分離回収するためのガス分離方法において、
   圧力スイング吸着法により原料ガスから特定ガス成分を分離回収するためのガス分離設備であって、塔下端のガス入口部（１）と塔上端のガス出口部（２）との間に、複数の吸着剤充填層（３）を吸着剤が充填されない空間部（４）を介在させて直列状に設けるとともに、空間部（４）からガスを導入又は排出するガス出入口（５）を設けた吸着塔（Ａ）と、該吸着塔（Ａ）のガス入口部（１）とガス出口部（２）とガス出入口（５）に通じるガス流路（Ｂ）を備え、該ガス流路（Ｂ）に設けられる複数の開閉弁（６）による流路の切り替えにより、１つ以上の吸着剤充填層（３）をバイパスして吸着塔（Ａ）内にガスを流通させ得るようにしたガス分離設備を用い、
   吸着工程における原料ガス又は／及び洗浄工程における洗浄ガスを、当該工程中の少なくとも一部の時間帯において、１つ以上の吸着剤充填層（３）をバイパスして吸着塔（Ａ）内に流通させ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。
2. ガス分離設備のガス流路（Ｂ）が、ガス入口部（１）に接続されたガス配管（７）と、ガス出口部（２）に接続されたガス配管（８）と、一端がガス配管（７）の途中に接続（１１）され、他端がガス配管（８）の途中に接続（１２）されたガス配管（９）と、一端がガス出入口（５）に接続され、他端がガス配管（９）の途中に接続（１３）されたガス配管（１０）を有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。
3. 吸着工程における原料ガス又は／及び洗浄工程における洗浄ガスを吸着塔（Ａ）内に流通させる１つの工程中、一部の時間帯でのみ、１つ以上の吸着剤充填層（３）をバイパスして吸着塔（Ａ）内に吸着工程における原料ガス又は／及び洗浄工程における洗浄ガスを流通させることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
4. 吸着工程における原料ガス又は／及び洗浄工程における洗浄ガスを吸着塔（Ａ）内に流通させる１つの工程中、吸着工程における原料ガス又は／及び洗浄工程における洗浄ガスをバイパスさせる吸着剤充填層（３）を変更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。
5. 当該工程が終了するまでに、吸着塔（Ａ）内の全部の吸着剤充填層（３）に対する吸着工程における原料ガス又は／及び洗浄工程における洗浄ガスの流通がなされ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。
6. 吸着工程における原料ガスを下段側の吸着剤充填層（３）をバイパスして吸着塔（Ａ）内に流通させることを特徴とする請求項３〜５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。
7. 洗浄工程における洗浄ガスを上段側の吸着剤充填層（３）をバイパスして吸着塔（Ａ）内に流通させることを特徴とする請求項３〜６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。
8. 吸着工程における原料ガス又は／及び洗浄工程における洗浄ガスを吸着塔（Ａ）内に流通させる１つの工程中、オフガス組成を分析し、この分析結果に基づきガス経路の切り替えを行うことを特徴とする請求項３〜７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。
9. 洗浄工程における洗浄ガスを、当該工程中の少なくとも一部の時間帯において、１つ以上の吸着剤充填層（３）をバイパスして吸着塔（Ａ）内に流通させるか、若しくは、吸着工程における原料ガスを、当該工程中の少なくとも一部の時間帯において、１つ以上の吸着剤充填層（３）をバイパスして吸着塔（Ａ）内に流通させるとともに、洗浄工程における洗浄ガスを、当該工程中の少なくとも一部の時間帯において、１つ以上の吸着剤充填層（３）をバイパスして吸着塔（Ａ）内に流通させることを特徴とする請求項１〜８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。

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