TWI421345B - 高爐氣體之分離方法及裝置 - Google Patents

Description

高爐氣體之分離方法及裝置

本發明係關於將從高爐所排出高爐氣體進行分離的方法及裝置。

在煉鐵廠中會從諸如焦炭爐、高爐、轉爐等設備中產生通稱「副產氣體」的氣體。該副產氣體大部分將被使用於諸如發電廠、加熱爐等，利用燃燒所產生熱的用途方面。但是，除諸如氫、一氧化碳、甲烷等可使用為燃料的成分之外，因為尚含有諸如氮、二氧化碳等非活性成分，因而相較於一般燃料氣體的丙烷氣體或天然氣體之下，會有每單位體積的熱量700~4500kcal/Nm³ 的偏低問題。特別係高爐氣體每單位的熱量為700kcal/Nm³ 程度，在副產氣體熱量中歸屬於最低分類。

理由係高爐氣體中諸如氫、一氧化碳、甲烷等燃料成分較少，且由該等燃料成分的燃燒所產生的熱量，將被使用於非活性成分的氮或二氧化碳之溫度上升所致。況且，高爐氣體中所含氮52~60體積%程度、二氧化碳19~24體積%程度。

再者，最近就從地球環境保護的問題，強烈渴望削減二氧化碳排放量，從高爐氣體中進行二氧化碳的分離‧回收之事亦成為大課題。

因此，相關去除該等非活性成分的方法已有數個提案。

在日本專利特開昭61-28446號公報中有提案：從高爐氣體等含有氮、一氧化碳、二氧化碳的氣體中，使經分離出一氧化碳後的氣體，在燃燒觸媒存在下進行燃燒，而將殘存微量燃料氣體與氧去除，俾回收以氮與二氧化碳為主成分的非活性氣體之方法。此外，亦有提案從該非活性氣體中分離出二氧化碳，而獲得高純度氮的方法。

在日本專利特開昭62-193622號公報中有提案：將吸附著高爐氣體中之二氧化碳的氧化鋁系吸附劑、與供吸附氮用的多孔性聚苯乙烯填充於一座吸附塔內，藉由對吸附塔內施行加壓與減壓，而可獲得含有一氧化碳與氫較多之氣體的變壓式吸附分離方式。

在日本專利特開2004-292298號公報中有提案：從諸如高爐氣體等副產氣體中，利用化學吸收液施行二氧化碳吸收後，再將化學吸收液加熱而將二氧化碳分離的方法。

然而，上述習知技術分別有下述問題，均尚未達實用化階段。

日本專利特開昭61-28446號公報的方法中，在從高爐氣體中分離出一氧化碳後的氣體中，仍然會殘存著1%左右的一氧化碳與幾乎全量的氫。因為該等並非屬於具有可利用為燃料之程度熱量的氣體，因此在分離器後段所設置的燃燒器中將被完全燃燒而廢棄。然而，因為該熱量相當於高爐氣體所具有總熱量的5%，因而期待能提升一氧化碳的分離率，且亦將氫分離，並可減少經分離後氣體中所殘存一氧化碳與氫的量。

日本專利特開昭62-193622號公報的方法，因為一氧化碳與氫的分離率並未超過80%，含有其餘20%左右一氧化碳與氫的氣體，因為二氧化碳與氮含量較多，即使燃燒仍無法獲得較大熱量，因而大多不被利用。

日本專利特開2004-292298號公報的方法，高爐氣體中的濃度僅20%左右的二氧化碳分離，且經分離後的殘留的氣體中仍然含有較多的氮，因此進行燃燒時的熱量改善僅為25%左右而已。

再者，任一方法均殘留著分離操作需要較多能源的問題。日本專利特開昭61-28446號公報所揭示方法，為將吸收液再生，而將吸收液加熱至100~150℃、或將裝入吸收液的容器施行減壓的能源為必要；就日本專利特開昭62-193622號公報所揭示方法，需要將吸附塔內當施行一氧化碳與氫的吸附時加壓至2atm，而當將所吸附一氧化碳與氫施行脫附時則減壓至0.1atm的能源；就日本專利特開2004-292298號公報所揭示方法，則需要為將吸收液加熱至120℃而再生用的能源。該等能源在煉鐵廠內係利用所產生廢熱的再利用而供應，但未必足夠。

依此的話，從煉鐵廠所產生的副產氣體，將二氧化碳、氮等非活性成分施行分離，而增加分離後殘留氣體的熱量並再利用為燃料氣體，當然就省能源具有貢獻，而就二氧化碳排放量削減的觀點亦屬重要。然而，就實用化而言，尚殘留成為燃料成分的一氧化碳或氫回收率提升、削減分離操作所需要能源等成本面問題。

日本專利特開平9-47634號公報有揭示：利用使用胺類的化學吸收法，進行二氧化碳回收的方法。但是，因為化學吸收法並未將不燃性氣體中佔最大比率的氮去除，因此預估所處理的氣體並不會有大幅發熱量上升情形。因為氮係屬於缺乏反應性的非活性氣體，因此基本上較難利用化學性處理方法將氮分離，必需探討其他的分離方法。

使用物理吸附進行氣體分離的手法，係有如變壓吸附式氣體分離法(PSA法)。該PSA法係利用對吸附劑的吸附容量會依照氣體種類而異，而進行目標氣體的濃縮‧分離之技術。利用PSA法施行的氣體分離，係使用具備有吸附塔(其係經填充入為能優先吸附既定成分用的吸附劑)的PSA氣體分離裝置，並在吸附塔中，至少施行吸附步驟與脫附步驟。吸附步驟係將混合氣體導入於吸附塔中，並使該混合氣體中的易吸附成分在高壓條件下吸附於吸附劑，並將難吸附成分經濃縮的非吸附氣體從吸附塔中導出。脫附步驟係使塔內壓力下降，而使易吸附成分從吸附劑上脫附，再將主要含有該易吸附成分的脫附氣體從吸附塔中導出。

就PSA法，一般所取得目標氣體係難吸附成分或易吸附成分中任一種，而分別針對複數氣體種類，依高濃縮率與高回收率為目標進行取得之事被認為困難。例如針對難吸附成分，為能提高濃縮率與回收率，便必須在吸附劑開始貫穿前便完成吸附步驟，而在此時間點，吸附劑尚未充分吸附著易吸附成分。所以，此情況，即使為能取得易吸附成分而回收脫附氣體，但易吸附成分的濃縮率與回收率仍較低。另一方面，針對易吸附成分，為能提高濃縮率與回收率，必需截至吸附劑充分貫穿為止均持續施行吸附步驟，在吸附步驟結束時，從吸附塔中導出的非吸附氣體屬於接近原本混合氣體的組成。所以，此情況，即便為能取得難吸附成分而回收非吸附氣體，但難吸附成分的濃縮率仍較低。

當利用PSA法施行分離取得二氧化碳時，一般吸附劑係使用對二氧化碳的吸附容量較大者，例如最好使用活性碳。已知氫對活性碳的吸附容量相較於對二氧化碳之下，係屬於極端小，當吸附劑係使用活性碳時，二氧化碳便成為易吸附成分，而氫則成為難吸附成分。

所以，若欲提高二氧化碳的濃縮率與回收率，依上述理由，氫濃縮率便會降低。依此的話，較難利用1段的PSA操作便個別將複數目標氣體施行濃縮‧分離。特別是當目標氣體係以二氧化碳與氫的高爐氣體為分離對象時，因為氫濃度屬於2~6%的低濃度，因此更難在將二氧化碳施行濃縮‧分離的情況下，將氫施行濃縮回收。

本發明目的在於提供從高爐氣體中效率佳地回收一氧化碳與氫，並再利用為熱源，可廉價獲得具充分熱量之燃料氣體的高爐氣體之分離方法及裝置。

為能達成上述目的，便提供以下的高爐氣體之分離方法及裝置。

[1].一種高爐氣體之分離方法，係當使用二段的氣體分離精製裝置，分別依含有各種成分的氣體對從高爐中所排出高爐氣體進行分離之際，首先係將高爐氣體用第一段氣體分離精製裝置，分離為：由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、以及由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體；接著，就該等分離氣體中，將由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，利用第二段氣體分離精製裝置分離為：由一氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、以及由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。

[2].如[1]所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述第一段氣體分離精製裝置係填充著就高爐氣體中所含成分的氮、一氧化碳、二氧化碳及氫之中，會吸附一氧化碳與二氧化碳之物質的吸附分離裝置；另一方面，上述第二段氣體分離精製裝置係填充著就該高爐氣體中的成分中，會吸附二氧化碳之物質的吸附分離裝置。

[3].如[1]所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述第一段氣體分離精製裝置係經填充著就高爐氣體中所含成分的氮、一氧化碳、二氧化碳及氫中，會吸附一氧化碳與二氧化碳之物質的吸附分離裝置；上述第二段氣體分離精製裝置係利用吸收二氧化碳而施行分離的化學式吸收裝置。

[4].如[1]至[3]項中任一項所記載高爐氣體之分離方法，其中，將利用上述第一段氣體分離精製裝置施行分離的由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，導入於配置著氫穿透膜或會吸附除氫以外成分之吸附劑的第三段氣體分離精製裝置，並從由氮、氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體中，分離為由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、以及由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。

[5].如[4]所記載高爐氣體之分離方法，其中，當利用上述會吸附除氫以外成分的吸附劑，從由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體中，分離出由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體時，便利用下述操作對已吸附著除氫以外成分的吸附劑施行脫附處理：將上述第三段氣體分離精製裝置內施行減壓的脫氣操作；從上述第三段氣體分離精製裝置的入口側利用氫施行的洗淨操作；或從上述第三段氣體分離精製裝置的出口側利用氫施行的逆洗淨操作。

[6].如[1]至[5]項中任一項所記載高爐氣體之分離方法，其中，將利用上述第一段氣體分離精製裝置施行分離之由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，再度供應給第一段氣體分離精製裝置。

[7].如[6]所記載高爐氣體之分離方法，其中，利用上述第一段氣體分離精製裝置施行分離的由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體中，將氮含有量佔整體氣體40體積%以下的氣體回收為煉鐵廠的燃料氣體。

[8].如[1]至[7]項中任一項所記載高爐氣體之分離方法，其中，將利用上述第一段氣體分離精製裝置進行分離之由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，再度供應給第一段氣體分離精製裝置。

[9].一種高爐氣體之分離方法，係為將含二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體施行分離的方法，包括有：第1變壓吸附式氣體分離步驟，其乃重複施行包括有第1吸附步驟與第1脫附步驟的循環；該第1吸附步驟係利用使用第1吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，將上述高爐氣體導入上述第1吸附塔中，在使該高爐氣體中的二氧化碳吸附於上述第1吸附劑上的情況下，從該吸附塔中將第1非吸附氣體導出；該第1吸附塔中填充著為優先吸附二氧化碳的第1吸附劑；該第1脫附步驟係使二氧化碳從上述第1吸附劑上脫附，並將脫附氣體導出於塔外；以及第2變壓吸附式氣體分離步驟，其乃重複施行包括有第2吸附步驟與第2脫附步驟的循環；該第2吸附步驟係利用使用第2吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，將上述第1非吸附氣體導入上述第2吸附塔中，在使該第1非吸附氣體中的一氧化碳吸附於上述第2吸附劑上的情況下，從該吸附塔中將第2非吸附氣體導出；該第2吸附塔中填充著為優先吸附一氧化碳的第2吸附劑；該第2脫附步驟係使一氧化碳從上述第2吸附劑上脫附，並將脫附氣體導出於塔外。

[10].如[9]所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述第1吸附劑係活性碳。

[11].如[9]或[10]項所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述第2吸附劑係經添加氯化銅的活性碳。

[12].如[9]至[11]項中任一項所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述第1吸附步驟中，從上述第1吸附塔中所導出上述第1非吸附氣體中，將從上述第1吸附步驟開始時起至既定時間點為止所導出的氣體，經由氫回收配管回收。

[13].一種高爐氣體之分離裝置，係供將含有二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體施行分離用的裝置，具備有：第1變壓吸附式氣體分離裝置，其乃利用使用第1吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，將上述高爐氣體導入上述第1吸附塔中，在使該高爐氣體中的二氧化碳吸附於上述第1吸附劑上的情況下，從該吸附塔中將第1非吸附氣體導出，使二氧化碳從上述第1吸附劑上脫附，並將脫附氣體導出於塔外；在該第1吸附塔中填充著為優先吸附二氧化碳的第1吸附劑；以及第2變壓吸附式氣體分離裝置，其乃利用使用第2吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，將上述第1非吸附氣體導入上述第2吸附塔中，在使該第1非吸附氣體中的一氧化碳吸附於上述第2吸附劑上的情況下，從該吸附塔中將該第2非吸附氣體導出，且使一氧化碳從上述第2吸附劑上脫附，並將脫附氣體導出於塔外；在該第2吸附塔中填充著為優先吸附一氧化碳的第2吸附劑。

[14].一種高爐氣體之分離方法，係重複施行包括有吸附步驟與脫附步驟之循環的高爐氣體之分離方法；該吸附步驟係從含有二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體中，使用經填充著對二氧化碳吸附能力相對高、且對氫吸附能力相對低之吸附劑的複數吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，在上述吸附塔內處於相對高壓狀態下，將上述高爐氣體導入於該吸附塔中，使該高爐氣體中的二氧化碳吸附於上述吸附劑上，再從該吸附塔中將非吸附氣體導出；該脫附步驟係在上述吸附塔內處於相對低壓狀態下，使二氧化碳從上述吸附劑脫附，並將脫附氣體導出於塔外；其中，將來自上述吸附塔的上述非吸附氣體，從上述吸附步驟開始時起至途中的時間點為止，經由氫回收配管將回收後，再經由不同於上述氫回收配管的出口配管取出。

[15].如[14]所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述途中的時間點係來自上述吸附塔的上述非吸附氣體之氫濃度，降低至既定濃度時的時間點。

[16].如[14]所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述途中的時間點係上述吸附步驟的時間經過既定比例時。

[17].如[14]至[16]項中任一項所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述氫回收配管中設有經填充入氫吸附能力相對低、且氮與一氧化碳吸附能力相對高之追加吸附劑的過濾器。

[18].如[17]所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述追加吸附劑係沸石。

[19].如[14]至[18]項中任一項所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述吸附步驟係利用上述高爐氣體的壓力實施。

[20].如[19]所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述脫附步驟中，將上述吸附塔內的壓力設為大氣壓。

[21].如[20]所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述脫附步驟中，將被導出於上述吸附塔外的脫附氣體其中一部分，利用壓縮機導入於已完成上述吸附步驟的其他吸附塔中。

[22].如[19]所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述脫附步驟中，將上述吸附塔內的壓力減壓至未滿大氣壓。

[23].如[22]所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述脫附步驟中，將被導出於上述吸附塔外的脫附氣體其中一部分，利用真空泵的吐出壓力，導入於已完成上述吸附步驟的其他吸附塔中。

[24].如[14]至[23]項中任一項所記載高爐氣體之分離方法，其中，將上述高爐氣體在導入於上述吸附塔中之前，便流通於經填充入優先吸附硫化合物之吸附劑的前處理塔中。

[25].一種高爐氣體之分離裝置，係從含有二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體，利用使用經填充入吸附劑之複數吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，於上述吸附塔內呈相對高壓狀態下，將上述高爐氣體導入於該吸附塔中，而使該高爐氣體中的二氧化碳吸附於上述吸附劑上，再從該吸附塔中將非吸附氣體導出，且在上述吸附塔呈相對低壓狀態下，使二氧化碳從上述吸附劑上脫附並將脫附氣體導出於塔外的高爐氣體之分離裝置；具備有：用以從來自上述吸附塔的上述非吸附氣體中，將氫回收的氫回收配管；不同於該氫回收配管的出口配管；以及使來自上述吸附塔的上述非吸附氣體，於在上述氫回收配管中流通的狀態及在上述出口配管中流通狀態間進行切換的切換手段。

[實施形態1]

發明者等針對施行高爐氣體的分離‧回收之際，就分離‧回收率的提升，以及削減分離‧回收所必要能源與成本等進行深入鑽研，結果發現高爐氣體中所含的氮、一氧化碳、二氧化碳及氫中，將何種成分組合形成含各種成分的氣體並施行分離、以及將含各種成分的氣體依何種順序施行分離之事係屬重要。

實施形態1的基礎係建立在上述發現，主旨構造如下：

1.一種高爐氣體之分離方法，係當使用二段的氣體分離精製裝置，分別依含有各種成分的氣體對從高爐中所排出高爐氣體進行分離之際，首先係將高爐氣體用第一段氣體分離精製裝置，分離為：由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、以及由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體；接著，就該等分離氣體中，將由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，利用第二段氣體分離精製裝置分離為：由一氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、以及由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。

2.如上述1所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述第一段氣體分離精製裝置係填充著就高爐氣體中所含成分的氮、一氧化碳、二氧化碳及氫之中，會吸附一氧化碳與二氧化碳之物質的吸附分離裝置；另一方面，上述第二段氣體分離精製裝置係填充著就該高爐氣體中的成分中，會吸附二氧化碳之物質的吸附分離裝置。

3.如上述1所記載高爐氣體之分離方法，其中，上述第一段氣體分離精製裝置係經填充著就高爐氣體中所含成分的氮、一氧化碳、二氧化碳及氫中，會吸附一氧化碳與二氧化碳之物質的吸附分離裝置；上述第二段氣體分離精製裝置係利用吸收二氧化碳而施行分離的化學式吸收裝置。

4.如上述1至3項中任一項所記載高爐氣體之分離方法，其中，將利用上述第一段氣體分離精製裝置施行分離的由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，導入於配置著氫穿透膜或會吸附除氫以外成分之吸附劑的第三段氣體分離精製裝置，並從由氮、氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體中，分離為由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、以及由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。

5.如上述4所記載高爐氣體之分離方法，其中，當利用上述會吸附除氫以外成分的吸附劑，從由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體中，分離出由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體時，便利用下述操作對已吸附著除氫以外成分的吸附劑施行脫附處理：將上述第三段氣體分離精製裝置內施行減壓的脫氣操作；從上述第三段氣體分離精製裝置的入口側利用氫施行的洗淨操作；或從上述第三段氣體分離精製裝置的出口側利用氫施行的逆洗淨操作。

6.如上述1至5項中任一項所記載高爐氣體之分離方法，其中，將利用上述第一段氣體分離精製裝置施行分離之由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，再度供應給第一段氣體分離精製裝置。

7.如上述6所記載高爐氣體之分離方法，其中，利用上述第一段氣體分離精製裝置施行分離的由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體中，將氮含有量佔整體氣體40體積%以下的氣體回收為煉鐵廠的燃料氣體。

8.如上述1至7項中任一項所記載高爐氣體之分離方法，其中，將利用上述第一段氣體分離精製裝置進行分離之由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，再度供應給第一段氣體分離精製裝置。

根據實施形態1，可從高爐氣體效率佳地分離出高濃度一氧化碳，依中間產物由氮與一氧化碳及二氧化碳相混合狀態分離的氣體中，其中一部分氮成分較少可在煉鐵廠內利用為燃料氣體。此外，因為二氧化碳亦可效率佳地分離，因此若將二氧化碳回收，亦可關聯到排出量之削減。且，亦可回收高濃度氫，藉由於燃料氣體中含有並再利用，便可提升燃料氣體的熱量。

以下，針對實施形態1進行具體說明。

高爐氣體的組成係一氧化碳：21.1~26.2體積%、二氧化碳：19.3~23.2體積%、氫：2.9~5.3體積%、氮：52.5~59.2體積%(參照第4版鋼鐵便覽(CD-ROM)No.1第2卷、製生鐵‧製鋼、2002年7月30日出版、表42-5‧7(2000))。為能從該高爐氣體中獲得可使用為燃料之熱量較高的氣體，本發明中係使用二段氣體分離精製裝置，利用第一段氣體分離精製裝置，將高爐氣體分離為：由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、及由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體等4種氣體。此處所謂「不可避免雜質氣體成分」係指除高爐氣體中所含微量成分之外，在上述4成分(一氧化碳、二氧化碳、氫、氮)中應分離且除目的成分以外，在分離效率上跟著混入的氣體成分，最大含20體積%左右。

實施形態1中，利用第一段氣體分離精製裝置，從高爐氣體首先因為將由二氧化碳、一氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體進行分離，因此可減少利用第二段氣體分離精製裝置施行二氧化碳與一氧化碳分離時所必要的能源，且可有效率的分離。

第一段氣體分離精製裝置主要係可使用配置有會吸附一氧化碳與二氧化碳之物質的吸附分離裝置。而，第二段氣體分離精製裝置主要係可使用配置有會吸附二氧化碳之物質的吸附分離裝置，或可使用會使二氧化碳被吸收於吸收液中的化學式吸收裝置。

當作第一段與第二段氣體分離精製裝置使用的吸附分離裝置，係可使用利用變壓吸附法(PSA法)、變溫吸附法(TSA法)等施行的吸附分離裝置。

第二段氣體分離精製裝置係可使用以諸如胺、冷凍氨等為吸收液的化學式吸收裝置。

再者，在第一段氣體分離精製裝置的出口側，將利用第一段氣體分離精製裝置分離的氣體中，由氮、氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，導入於配置著氫穿透膜或會吸附除氫以外成分之吸附劑的第三段氣體分離精製裝置中，便可獲得氫濃度高且由氫及不可避免雜質氣體成分所構成的氣體。

以下，參照圖式針對實施形態1進行具體說明。

圖1所示係實施形態1一例步驟圖。

首先，利用第一段氣體分離精製裝置，將高爐氣體分離為：由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體等4種氣體。理由係如後述，藉由將需要壓力與加熱的分離精製步驟設為第一段，便可直接利用從高爐爐頂所獲得高爐氣體的壓力與溫度，因此可依較少能源施行高爐氣體的分離。

另外，由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體的組成係氫5~50體積%左右、氮50~90體積%左右；由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體的組成係氮80~90體積%以上；由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體的組成係氮1~90體積%左右、一氧化碳5~60體積%左右、二氧化碳1~50體積%左右；由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體的組成係一氧化碳30~50體積%左右、二氧化碳50~70體積%左右。

利用第一段氣體分離精製裝置分離的上述4種氣體中，由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成的氣體，係更進一步被導入於第二段氣體分離精製裝置中，而被分離為由一氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、與由二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。另外，在分離過程中會生成由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體(尚未完全分離而呈一氧化碳與二氧化碳混合狀態的氣體)。通常此狀態的氣體將返回第二段氣體分離生成裝置中，但亦可如後述般的有效利用。以下，針對各自氣體進行說明。

由一氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體的組成，係一氧化碳85~99體積%左右，因為一氧化碳濃度較高，因此除在煉鐵廠內可利用為燃料氣體之外，尚可利用為化學原料。

由二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體的組成，係二氧化碳80~99體積%左右。

由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體的組成，係一氧化碳85~50體積%、二氧化碳15~50體積%。

再者，被導入於第二段氣體分離精製裝置中之由二氧化碳、一氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成的氣體，因為可形成相較於高爐氣體之下屬於二氧化碳濃度較高的氣體，因此在第二段氣體分離精製便可在不會使用太多能源之情況下，依高分離率將二氧化碳與一氧化碳分離。

以上係依照實施形態1的高爐氣體分離方法之基本構造，但亦可更進一步設置第三段氣體分離精製裝置的氫分離裝置，利用第一段氣體分離精製裝置進行分離的4種氣體中，將由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成的氣體，分離為由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、與由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。另外，由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體中的氫濃度，大概在50~99體積%以上的範圍內，由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體中的氮濃度，大概在80~90體積%以上的範圍內。

另外，第三段氣體分離精製裝置並非必需，例如為能獲得與高爐氣體相比較每單位體積熱量達3倍以上的燃料氣體，亦可將利用第一段氣體分離精製裝置所分離的由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由第二段氣體分離精製裝置所分離的由一氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體相混合。

相關上述實施形態1，舉實例進行詳細說明。

圖2所示係實施形態1中，第一段氣體分離精製裝置與第二段氣體分離精製裝置均使用變壓吸附裝置(PSA)時的分離操作示意圖，圖2中的元件符號1係指第一段氣體分離精製裝置(由經填充主要會吸附一氧化碳與二氧化碳之物質的吸附塔所構成變壓吸附裝置)，元件符號2係指第二段氣體分離精製裝置(由經填充主要會吸附二氧化碳之物質的吸附塔所構成變壓吸附裝置)，元件符號3係指第三段氣體分離精製裝置(氫分離裝置)。

另外，圖式中的各氣體成分分佈狀態，係為說明氣體分離狀況的示意表示，不同於實際PSA裝置的塔內氣體分佈。

高爐氣體a被導入第一段氣體分離精製裝置1中。此情況，最好預先將高爐氣體中的煤塵(固態粒子)、霧粒(液態微粒子)、水分及硫分去除。理由係煤塵會阻塞吸附物質的細孔導致能力降低，而霧粒及水分則會促進吸附物質劣化，硫分則會有因吸附物質的吸附點被毒化導致引發能力降低的可能性。

在第一段氣體分離精製裝置1的吸附塔中所填充吸附物質，係在就氫、氮、一氧化碳、二氧化碳之中，主要會吸附一氧化碳與二氧化碳之物質的前提下，均可使用任何物質，其餘並無特別的限制，最好為Y型沸石或在活性碳上載持或離子交換一價銅者，因為對一氧化碳與二氧化碳的吸附能力優異。特別係使用活性碳於載體者，對硫分或水分的耐久性高於沸石，因此此情況更佳。此外，吸附時的壓力、脫附時的壓力均無特別指定，就從操作容易性的觀點，最好吸附壓力設為100~500kPa(絕對壓)左右、脫附壓力設為5~100kPa(絕對壓)左右。此外，特別係載持或離子交換一價銅者，若使用溫度設為50~100℃左右，因為對一氧化碳與二氧化碳、以及其他成分間的吸附能力差較大，因此較容易施行分離。高爐氣體的壓力及溫度係從高爐塔頂經過除塵設備的時間點為約350kPa(絕對壓)、50~60℃左右，因此若使用載持或離子交換一價銅的吸附劑，便可直接利用該壓力與溫度，不需要投入多餘能源，而較具經濟效益。

被導入於第一段氣體分離精製裝置1中的氣體a(高爐氣體)，如圖2所示，將被分離為：由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體b、由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體c、由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體d、氣體d中氮較少的氣體e(在氣體d排出步驟的後期所排出)、以及由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體f。

由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體b，雖亦可煉鐵廠內直接利用為燃料氣體，但亦可更進一步設置屬於第三段氣體分離精製裝置3的氫分離裝置，而分離出含有高濃度氫之由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體g。氫分離裝置係可為會吸附氮的PSA裝置，亦可為吸附劑係在第一段氣體分離精製裝置1的吸附塔上端，不同於前述吸附劑之外另行填充。或者亦可為利用分子大小將氫分離的氫分離膜。將由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體g施行分離後的由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體h，亦可與從第一段氣體分離精製裝置所分離的由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體c進行混合。

接著，從第一段氣體分離精製裝置1所分離之由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體d，將與由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體c的全部或其中一部分，一起利用混合器4進行混合，而形成氣體i，並再度返回氣體分離精製裝置1中。此情況，最好依該氣體i的氮濃度經常較高於高爐氣體的方式，控制著混合比。

接著，從第一段氣體分離精製裝置1所分離之由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體d中，若將氮較少的氣體e(在氣體d排出步驟中的後期排出)，導入於第二段氣體分離精製裝置2中，便會降低一氧化碳的濃度，因而最好避免，但因為含有相當程度的一氧化碳，因而熱量較高，可當作燃料氣體並導入煉鐵廠的副產氣體中，可減少為了將高爐氣體分離所需的能源，有利於能源收支。

接著，從第一段氣體分離精製裝置1所分離之由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體f，被導入第二段氣體分離精製裝置2中。

在第二段氣體分離精製裝置2的吸附塔中所填充的吸附物質，係只要屬於能將一氧化碳與二氧化碳分離之物質的話，便可利用任何物質，並無特別的指定，可使用市售活性碳與沸石。此外，吸附時的壓力、脫附時的壓力均無特別的指定，就從操作容易性的觀點，最好吸附壓力100~500kPa(絕對壓)左右、脫附壓力5~100kPa(絕對壓)左右，為能減少投入能源，更佳係吸附壓力設為100~200kPa左右。

被導入於第二段氣體分離精製裝置2中之由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體f，如圖2所示，被分離為：由一氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體j、由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體k、以及由二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體1。

由一氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體j，因為一氧化碳濃度較高，因而在煉鐵廠內除可利用為燃料氣體外，尚可利用為化學原料。

接著，所分離的由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體k，亦可與從第一段氣體分離精製裝置1所導入的由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體f進行混合，並再度導入於第二段氣體分離精製裝置2中。或者，因為由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體k，係含有相當量的一氧化碳，因而可當作高熱量氣體並導入煉鐵廠的副產氣體中。

另外，當有設置第三段氣體分離精製裝置3的氫分離裝置時，便可為設置氫分離膜的裝置，亦可為會吸附氮的PSA或TSA裝置，而當使用會吸附氮的PSA或TSA裝置時，最好在吸附劑因除氫以外的成分而貫穿之時間點，施行利用減壓施行的脫氣操作、利用氫施行的洗淨操作或逆洗淨操作。藉由進行利用減壓施行的脫氣操作、利用氫施行的洗淨操作或逆洗淨操作，便可最大極限地抑制氮損失。洗淨操作或逆洗淨操作所使用的氫，就來源並無特別的限制，使用實施形態1中由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體g較為方便。

第三段氣體分離精製裝置3係利用吸附進行之分離裝置時(圖3與4中依3’表示)，由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體的分離操作示意圖係如圖3所示，利用減壓施行脫氣操作的示意圖係如圖4A所示，利用氫施行洗淨操作的示意圖係如圖4B所示，利用氫施行逆洗淨操作的示意圖係如圖4C所示。

若利用減壓施行脫氣操作時，如圖4A所示，利用真空泵等排氣裝置5等，將第三段氣體分離精製裝置3’中所殘存的由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體h進行排氣。當利用氫施行洗淨操作時，便如圖4B所示，利用鼓風機等送風裝置6，將由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體g的其中一部分，當做洗淨氣體並從第三段氣體分離精製裝置3’的入口側導入，而將殘存的由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體h從出口側排氣。當利用氫施行逆洗淨操作時，如圖4C所示，利用鼓風機等送風裝置6，將由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體g的其中一部分，當做洗淨氣體並從第三段氣體分離精製裝置3’的出口側導入，而將殘存的由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體h從入口側排氣。

另外，圖3與4中，除利用減壓施行脫氣、利用由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體施行洗淨或逆洗淨操作以外，就其餘構造均如同圖2，而相同部分便賦予相同元件符號，並省略說明。

[實施例]

以下，相關依照實施形態1的高爐氣體之分離方法，例示第一段氣體分離精製裝置與第二段氣體分離精製裝置均利用變壓吸附法施行分離的結果。另外，並未實施利用第三段氣體分離裝置進行的分離。此外，本實驗例所採用的分離操作與條件，係在能獲得相當效果的前提下，亦可適用相關該技術的任何公知技術，以下的說明並非限定本案技術範圍。另外，壓力表記載均指「絕對壓」。

第一段氣體分離精製裝置的氣體分離，係利用經填充載持著一價銅的活性碳之吸附塔所構成氣體分離精製裝置實施。第一段氣體分離操作的各步驟係依照對已填充吸附材的塔(以下稱「吸附塔」)進行流入與流出的氣體流動，而施行「升壓」、「吸附」、「減壓1」、「逆洗淨」、「減壓2」等5步驟，且循環施行經「減壓2」步驟後，再度進行「升壓」步驟的操作。

「升壓」步驟中，將「減壓1」步驟從吸附塔出口側所排出之由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，與「吸附」步驟從吸附塔出口側所排出之由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體其中一部分相混合，並從經減壓至5kPa狀態的吸附塔入口側導入。此時，由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、與由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體的混合比，為能使氮濃度達50體積%以上，便將體積比設為2：1。此外，高爐氣體(氫3體積%、氮52體積%、一氧化碳23體積%、二氧化碳22體積%)導入直到吸附塔內的氣體壓力成為300kPa為止。

「升壓」步驟後接著便是「吸附」步驟，若高爐氣體從吸附塔入口側導入，便同時從吸附塔出口側依吸附塔內的氣體壓力呈一定方式，將氣體從出口側排出。(將該排出稱為氣體排出的「第一段第1期」)。該第一段第1期所排出的氣體，初期將排出由氫、氮及不可避免雜質所構成氣體，然後再排出由氮及不可避免雜質所構成氣體。該氣體的組成係隨排出時間經過呈連續變化，由氫、氮及不可避免雜質所構成氣體係氫：50~7體積%、氮：50~90體積%，由氮及不可避免雜質所構成氣體係氫7~4體積%、氮92~90體積%。另外，在所排出由氮及不可避免雜質所構成氣體中，所含氮濃度達90體積%以下的時間點，便停止高爐氣體的導入並結束「吸附」步驟。

「吸附」步驟後接著便是「減壓1」步驟，從吸附塔出口側施行氣體的排出直到吸附塔內的氣體壓力接近100kPa為止。(將該排出稱為氣體排出的「第一段第2期」)。該第一段第2期所排出的氣體係由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。該氣體的組成係隨排出時間變化呈連續變化，氮：89~41體積%、一氧化碳：5~43體積%、二氧化碳2~15體積%。

在「減壓1」步驟後接著便是「逆洗淨」步驟，從吸附塔出口側在將吸附塔內的氣體壓力保持於100kPa程度的狀態下，導入後述「減壓2」步驟施行排出由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體的其中一部分，同時從吸附塔入口側將氣體排出(將該排出氣體稱為氣體排出的「第一段第3期」)。

氣體的導入係在從吸附塔入口側所排出氣體中所含氮濃度低於1體積%的時間點便結束。該第一段第3期所排出的氣體係由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。該氣體的組成係隨排出時間變化而連續變化，氮：22~1體積%、一氧化碳：37~57體積%、二氧化碳：40~43體積%。

「逆洗淨」步驟後接著便是「減壓2」步驟，從吸附塔出口側將吸附塔內所殘存的成分利用真空泵施行排出，直到吸附塔內的氣體壓力成為5kPa為止。(將該排出氣體稱為氣體排出的「第一段第4期」)。該第一段第4期所排出的氣體係由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。該氣體組成係隨排出時間變化而連續變化，一氧化碳：42~37體積%、二氧化碳：57~63體積%。

在「減壓2」步驟所排出的氣體係利用第二段氣體分離裝置，更進一步分離為由一氧化碳及不可避免雜質所構成氣體、與由二氧化碳及不可避免雜質所構成氣體。另外，第二段氣體分離精製裝置的氣體分離，係利用由經填充入活性碳的吸附塔所構成氣體分離精製裝置實施。第二段氣體分離操作的各步驟，係依照對經填充吸附材的塔(以下同樣地稱「吸附塔」)進行流入與流出的氣體流動，而由「升壓」、「吸附」、「減壓1」、「減壓2」等4步驟構成，且循環進行經「減壓2」步驟後再度進行「升壓」步驟的操作。

「升壓」步驟中，將「減壓1」步驟中從吸附塔出口側所排出之由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體(第二段第2期)，以及由第一段氣體分離精製裝置所分離之由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體(第一段第4期)，依體積比1：3的比例進行混合，並從經減壓至氣體壓力5kPa的吸附塔入口側導入直到吸附塔內的氣體壓力成為100kPa為止。

在「升壓」步驟後接著便是「吸附」步驟，在將利用第一段氣體分離精製裝置所分離之由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體(第一段第4期)，從吸附塔入口側導入之同時，亦從吸附塔出口側依吸附塔內的氣體壓力大致為100kPa呈一定狀態地，將氣體從出口側排出。(將該排出稱為氣體排出的「第二段第1期」)。另外，「吸附」步驟係在所排出由一氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體中，所含一氧化碳濃度成為75體積%的時間點便結束氣體導入。該第二段第1期所排出的氣體，係排出由一氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。該氣體的組成係隨排出時間變化而連續變化，一氧化碳：85~89體積%。

「吸附」步驟後接著便是「減壓1」步驟，將吸附塔內殘存的成分利用真空泵等從吸附塔出口側進行排出，直到吸附塔內的氣體壓力成為35kPa為止。(將該排出稱為氣體排出的「第二段第2期」)。該第二段第2期所排出的氣體係排出由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。該氣體的組成係隨排出時間變化而連續變化，一氧化碳：85~57體積%、二氧化碳：15~43體積%。

「減壓1」步驟後接著便是「減壓2」步驟，將吸附塔內殘存的成分利用真空泵等，從吸附塔入口側進行排出，直到吸附塔內的氣體壓力成為5kPa為止。(將該排出稱為氣體排出的「第二段第3期」)。該第二段第3期所排出的氣體係排出由二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。該氣體的組成係隨排出時間變化而連續變化，二氧化碳：81~96體積%。

[實施形態2]

實施形態2係有鑑於此種實情而所想出，目的在於提供從主要含有二氧化碳、氮、一氧化碳及氫的高爐氣體中，分離出二氧化碳，且將其餘氣體的可燃成分施行濃縮‧分離的方法及裝置。

依實施形態2之第1態樣所提供的高爐氣體之分離方法，係用以將含有二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體施行分離的方法，包括有第1變壓吸附式氣體分離步驟與第2變壓吸附式氣體分離步驟。而，該第1變壓吸附式氣體分離步驟，係重複施行包括有第1吸附步驟與第1脫附步驟的循環；該第1吸附步驟係利用使用第1吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，將上述高爐氣體導入上述第1吸附塔中，在使該高爐氣體中的二氧化碳吸附於上述第1吸附劑上的情況下，從該吸附塔中將第1非吸附氣體導出；該第1吸附塔中填充著為優先吸附二氧化碳的第1吸附劑；該第1脫附步驟係使二氧化碳從上述第1吸附劑上脫附，並將脫附氣體導出於塔外；該第2變壓吸附式氣體分離步驟係重複施行包括有第2吸附步驟與第2脫附步驟的循環；該第2吸附步驟係利用使用第2吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，將上述第1非吸附氣體導入上述第2吸附塔中，在使該第1非吸附氣體中的一氧化碳吸附於上述第2吸附劑上的情況下，從該吸附塔中將第2非吸附氣體導出；該第2吸附塔中填充著為優先吸附一氧化碳的第2吸附劑；該第2脫附步驟係使一氧化碳從上述第2吸附劑上脫附，並將脫附氣體導出於塔外。

最好上述第1吸附劑係活性碳。

最好上述第2吸附劑係添加氯化銅的活性碳。

最好上述第1吸附步驟中，從上述第1吸附塔所導出的上述第1非吸附氣體中，將從上述第1吸附步驟開始時起至既定時間點為止所導出的氣體，經由氫回收配管回收。

本分離方法中，從含有二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體中，將二氧化碳與氮分離時，藉由執行利用PSA法施行的2階段變壓吸附式氣體分離步驟，便可選擇性地將上述4種氣體成分進行濃縮分離。具體而言，首先在第1變壓吸附式氣體分離步驟中，將第1吸附劑優先吸附的二氧化碳施行脫附‧回收，便可效率佳地將二氧化碳分離。此處，第1吸附劑係可使用例如二氧化碳吸附容量極端大於其他氣體成分的活性碳系。此外，第1吸附步驟中，未被第1吸附劑吸附而從第1吸附塔導出的第1非吸附氣體，係以氮、氫及一氧化碳為主成分的氣體。其中，相關氫，相較於其他成分氣體(氮與一氧化碳)之下，具有欠缺對吸附劑之吸附容量的性質。所以，第1非吸附氣體中，藉由回收初期氣體，便可將氫施行濃縮分離。接著，第2變壓吸附式氣體分離步驟中，被導入於第2吸附塔中且供應給第2吸附步驟的氣體(第1非吸附氣體中，後半部分的氣體)，係從高爐氣體中有效地去除二氧化碳與氫，屬於以氮與一氧化碳為主成分的氣體。第2變壓吸附式氣體分離步驟中，藉由將被第2吸附劑優先吸附的一氧化碳施行脫附‧回收，便可效率佳地分離回收一氧化碳。此處，第2吸附劑係可使用例如一氧化碳吸附容量極端大於氮吸附容量，經添加氯化銅的活性碳。此外，第2吸附步驟中，未被第2吸附劑吸附而從第2吸附塔中導出的第2非吸附氣體，係以氮為主成分的氣體。

依實施形態2之第2態樣所提供的高爐氣體之分離系統，係供將含有二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體施行分離用的系統，具備有第1變壓吸附式氣體分離裝置與第2變壓吸附式氣體分離裝置。而，該第1變壓吸附式氣體分離裝置係利用使用第1吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，將上述高爐氣體導入上述第1吸附塔中，在使該高爐氣體中的二氧化碳吸附於上述第1吸附劑上的情況下，從該吸附塔中將第1非吸附氣體導出，使二氧化碳從上述第1吸附劑上脫附，並將脫附氣體導出於塔外；在該第1吸附塔中填充著為優先吸附二氧化碳的第1吸附劑；該第2變壓吸附式氣體分離裝置係利用使用第2吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，將上述第1非吸附氣體導入上述第2吸附塔中，在使該第1非吸附氣體中的一氧化碳吸附於上述第2吸附劑上的情況下，從該吸附塔中將該第2非吸附氣體導出，且使一氧化碳從上述第2吸附劑上脫附，並將脫附氣體導出於塔外；在該第1吸附塔中填充著為優先吸附一氧化碳的第2吸附劑。若依照此種構造的高爐氣體分離系統，便可適當地施行本發明第1形態的高爐氣體之分離方法。

根據實施形態2，藉由從高爐氣體中分離出不燃性二氧化碳與氮，便可獲得可燃成分經濃縮的氣體，可大幅提高燃料用途的發熱量。藉此便可削減或廢止習知為彌補發熱量不足而使用的輔助燃料，亦關聯於源自輔助燃料的二氧化碳排放量削減。此外，將來若將經濃縮分離的二氧化碳儲存於地底下或海中的技術達實用化，便亦對二氧化碳排放量削減亦具有貢獻。

相關實施形態2的高爐氣體之分離方法，參照圖式進行具體說明。

圖5所示係執行實施形態2的高爐氣體之分離方法時可使用的高爐氣體分離系統概略構成。高爐氣體分離系統X係具備有：串聯呈2段配置的變壓吸附式氣體分離裝置(PSA氣體分離裝置)101、102、以及將該等相連接的配管；將從含有二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體中，可分離回收：難吸附成分經濃縮的非吸附氣體、與易吸附成分經濃縮的脫附氣體，構成可執行依變壓吸附式氣體分離法(PSA法)施行的操作。

PSA氣體分離裝置101係具備有經填充著為優先吸附二氧化碳的第1吸附劑之複數吸附塔(第1吸附塔、未圖示)，供執行第1變壓吸附式氣體分離步驟(第1PSA氣體分離步驟)。第1吸附劑係可採用以例如椰子殼、竹等植物質、諸如煤炭質、石油質等為原料的活性碳。

第1PSA氣體分離步驟中，相關單一吸附塔例如重複施行包括有第1吸附步驟、第1洗淨步驟、及第1脫附步驟的1循環。第1吸附步驟係將高爐氣體導入於塔內呈既定高壓狀態的吸附塔中，使該高爐氣體中的二氧化碳吸附於第1吸附劑上，並從該吸附塔中導出第1非吸附氣體的步驟。第1洗淨步驟係利用從第1脫附步驟的其他吸附塔所導出脫附氣體其中一部分，將已完成第1吸附步驟的吸附塔施行洗淨的步驟。第1脫附步驟係將吸附塔內施行減壓，使二氧化碳從第1吸附劑上脫附，並將二氧化碳經濃縮的脫附氣體導出於塔外的步驟。

PSA氣體分離裝置101連接於為供應高爐氣體用的高爐氣體供應配管103。高爐氣體係例如煉鐵廠中，對來自高爐的排出氣體施行脫濕處理過的氣體。該高爐氣體的組成(體積濃度)係例如：二氧化碳19~24%、氮52~60%、氫2~6%、一氧化碳21~27%。

PSA氣體分離裝置101尚連接著：氫回收配管104、非吸附氣體送出配管105、及脫附氣體回收配管106。氫回收配管104係供回收從吸附塔所導出第1非吸附氣體其中一部分。非吸附氣體送出配管105係供將來自吸附塔的第1非吸附氣體輸送入PSA氣體分離裝置102中。PSA氣體分離裝置101係具備有使將來自吸附塔的第1非吸附氣體，在氫回收配管104中流通的狀態、與在非吸附氣體送出配管105流通的狀態間進行切換的機構(未圖示)。另外，非吸附氣體送出配管105中亦可設置為將第1非吸附氣體，壓送給PSA氣體分離裝置102的壓縮機。

PSA氣體分離裝置102係具備有填充著為優先吸附一氧化碳之第2吸附劑的複數吸附塔(第2吸附塔，未圖示)，屬於為執行第2變壓吸附式氣體分離步驟(第2PSA氣體分離步驟)用。第2吸附劑最好使用經添加提高一氧化碳吸附選擇性之化學物質的活性碳，例如使用經添加氯化銅的活性碳。相關氯化銅添加活性碳，藉由施行加熱還原處理而形成1價氯化銅，可提高一氧化碳的吸附選擇性。另一方面，氯化銅添加活性碳的氮吸附容量極端小。PSA氣體分離裝置102連接著非吸附氣體送出配管105、非吸附氣體取出配管107、及脫附氣體回收配管108。PSA氣體分離裝置102係就從氯化銅添加活性碳的吸附特性觀點而言，較佳依25~80℃施行操作，更佳依30~60℃施行操作。

第2PSA氣體分離步驟中，針對單一吸附塔，重複施行例如包括有第2吸附步驟、第2洗淨步驟及第2脫附步驟的1循環。第2吸附步驟係將第1非吸附氣體導入於塔內呈既定高壓狀態的吸附塔中，並使該非吸附氣體中的一氧化碳吸附於吸附劑上，再從該吸附塔中導出第2非吸附氣體的步驟。第2洗淨步驟係針對已完成第2吸附步驟的吸附塔，利用在第2脫附步驟中由其他吸附塔所導出脫附氣體其中一部分，施行洗淨的步驟。第2脫附步驟係將吸附塔內施行減壓，而使一氧化碳從第2吸附劑上脫附，並將已濃縮一氧化碳的脫附氣體導出於塔外的步驟。

上述構造的高爐氣體分離系統X在運轉時，經由高爐氣體供應配管103，對PSA氣體分離裝置101供應高爐氣體。

PSA氣體分離裝置101中，依每個吸附塔重複施行上述含有第1吸附步驟、第1洗淨步驟及第1脫附步驟的循環。

第1吸附步驟中，將高爐氣體導入於塔內呈既定高壓狀態的吸附塔中，利用第1吸附劑優先吸附易吸附成分的二氧化碳，並將第1非吸附氣體導出於塔外。第1吸附步驟的吸附壓力係例如100~400kPa(錶壓)。此處當高爐氣體導入時，可利用來自高爐的排出氣體原壓執行第1吸附步驟。所以，此情況，將不需要使用為執行第1吸附步驟的壓縮機。

第1吸附劑(活性碳)對各種氣體成分的吸附容量，係具有二氧化碳一氧化碳＞氮＞氫的關係。圖6所示係活性碳對二氧化碳、一氧化碳、氮、氫，在常溫(25℃)下的吸附等溫線。其中，因為二氧化碳吸附容量極端大於其他氣體成分，因此即使將吸附壓力設為偏低，第1吸附劑對二氧化碳的吸附量仍比較多。

相關一氧化碳與氮的吸附容量，雖小於二氧化碳，但大於氫。所以，在第1吸附步驟初期，一氧化碳與氮亦會被某程度吸附，而相關在第1吸附步驟初期階段被導出於塔外的第1非吸附氣體，則會變成氫濃度相當高。若進行第1吸附步驟，因為相較於二氧化碳之下，吸附容量較小的一氧化碳與氮並不會被吸附，而是被當作第1非吸附氣體並被導出於塔外，因此第1非吸附氣體中的氫濃度便會逐漸降低。

實施形態2中，從第1吸附步驟開始時起至途中的時間點，均將來自吸附塔的第1非吸附氣體當作氫濃縮氣體，並經由氫回收配管104進行回收。該回收操作係例如經常利用感測器檢測第1非吸附氣體中的氫濃度，在氫濃度降低至既定濃度的時間點便結束。當提高氫回收率時，便將氫濃縮氣體回收結束時的氫濃度設定為較低，當提高氫濃縮率時，便將該結束時的氫濃度設定為較高。當重視氫回收率而將該結束時的氫濃度設為例如10%時，所回收的氫濃縮氣體整體之氫濃度便為約30%，因為原本高爐氣體的氫濃度為2~6%，因此氫將被濃縮達5倍以上。此情況，氫回收率係約80%。

第1吸附步驟係執行至例如塔內的第1吸附劑貫穿為止。上述氫濃縮氣體的回收結束後，從吸附塔所導出的第1非吸附氣體，經由非吸附氣體送出配管105往PSA氣體分離裝置102送出。此時，相關在非吸附氣體送出配管105中流動的氣體，因為二氧化碳與氫已分離完畢，因此便成為以其餘氣體的氮與一氧化碳為主成分之氣體，例如氮濃度60~65%、一氧化碳濃度30~35%。

第1洗淨步驟中，利用第1脫附步驟中從其他吸附塔導出的脫附氣體其中一部分，將塔內施行洗淨。第1脫附步驟中，將吸附塔內減壓至大氣壓以下，而使吸附氣體從第1吸附劑上脫附。在脫附氣體中二氧化碳係依高濃度含有。該脫附氣體被導出於塔外，並經由脫附氣體回收配管106進行回收。相關所回收的脫附氣體，例如二氧化碳濃度90~99%、二氧化碳回收率80~90%。

PSA氣體分離裝置102中，依每個吸附塔，重複施行上述包括有第2吸附步驟、第2洗淨步驟及第2脫附步驟的循環。

第2吸附步驟中，第1非吸附氣體被導入於塔內呈既定高壓狀態的吸附塔中，利用第2吸附劑優先吸附著易吸附成分的一氧化碳，氮經濃縮的第2非吸附氣體被導出於塔外。第2吸附步驟係執行至例如塔內的第2吸附劑貫穿為止。第2吸附步驟的吸附壓力係例如100~400kPa(錶壓)。

第2吸附劑(氯化銅添加活性碳)對各種氣體成分的吸附容量，係具有一氧化碳二氧化碳＞氮＞氫的關係。圖7所示係氯化銅添加活性碳對一氧化碳、二氧化碳、氫、氮，在常溫(25℃)下的吸附等溫線，以及對一氧化碳、二氧化碳，在高於常溫的高溫(50℃)下之吸附等溫線。其中，因為一氧化碳之吸附容量極端大於其他氣體成分，因此即使將吸附壓力設定為偏低，第2吸附劑對一氧化碳的吸附量仍會較多。另一方面，因為氮吸附容量係無關吸附壓力均呈現較小值，因此氮幾乎不會被第2吸附劑吸附而是通過。

再者，相關二氧化碳與一氧化碳，若就溫度條件不同的25℃與50℃情況分別進行比對，在二氧化碳與一氧化碳均處於高溫的50℃時，在同一吸附壓力下的吸附容量均會降低，高溫時(50℃)的吸附容量降低比例係二氧化碳較大於一氧化碳。藉此，可謂相較於25℃的情況下，在50℃情況下，第2吸附步驟進行的一氧化碳與二氧化碳分離性較良好。所以，相關第2吸附步驟中來自PSA氣體分離裝置101的第1非吸附氣體，若考慮因未被第1吸附劑所吸附而含有的二氧化碳分離，則第2吸附步驟係高溫(50℃)下實施會比在常溫下更佳。

第2吸附步驟中被導出於塔外的第2非吸附氣體，將經由非吸附氣體取出配管107被回收。相關所回收的第2非吸附氣體，例如氮濃度80~95%、氮回收率70~99%。

第2洗淨步驟中，利用第2脫附步驟從其他吸附塔導出的脫附氣體其中一部分，將塔內施行洗淨。第2脫附步驟中，將吸附塔內減壓至大氣壓以下，使吸附氣體從吸附劑上脫附。在脫附氣體依高濃度含一氧化碳。

該脫附氣體將被導出於塔外，並經由脫附氣體回收配管108回收。相關所回收的脫附氣體，例如一氧化碳濃度90~99%、一氧化碳回收率80~90%。

依此若採行使用高爐氣體分離系統X實施高爐氣體之分離方法，藉由利用PSA法施行2階段PSA氣體分離步驟，便可將高爐氣體中所含4種氣體成分(二氧化碳、氫、一氧化碳、及氮)選擇性施行濃縮分離。即，根據本實施形態，藉由從高爐氣體分離出不燃性二氧化碳與氮，可獲得可燃成分經濃縮的氣體，能大幅提高燃料用途的發熱量。藉此便可削減或廢止習知為彌補發熱量不足而使用的輔助燃料，亦關聯於源自輔助燃料的二氧化碳排放量削減。此外，將來若將經濃縮分離的二氧化碳儲存於地底下或海中的技術達實用化，便亦對二氧化碳排放量削減亦具有貢獻

除此之外，根據實施形態2，即使可燃成分的氫與一氧化碳，仍可選擇性地施行濃縮分離。相關經由氫回收配管104回收的第1非吸附氣體(氫濃縮氣體)，藉由混合於煉鐵廠內所產生的煉焦爐氣體(氫濃度約40~50%)等氫濃度較高氣體並使用等，便可有效利用為高附加價值的燃料。相關經由脫附氣體回收配管108回收的脫附氣體(高濃度一氧化碳)，因為發熱量高且絕對量亦較多，因此可有效利用為燃料。

以上，針對實施形態2進行說明，惟實施形態2並不僅侷限於此，在不脫逸發明思想的範圍內亦可進行各種變更。

[實施例]

其次，針對實施形態2的有用性利用實施例進行說明。

本實施例中，使用如圖5所示2個PSA氣體分離裝置101、102施行高爐氣體的分離。PSA氣體分離裝置101、102係屬於分別具備3個吸附塔的3塔式PSA。在PSA氣體分離裝置101的各吸附塔中，所填充的吸附劑係椰子殼系活性碳2.0公升。在PSA氣體分離裝置102的各吸附塔中，所填充的吸附劑係經添加氯化銅的活性碳2.0公升。使用該裝置，嘗試從高爐氣體(依體積濃度計，二氧化碳22%、氮52%、氫3%、一氧化碳23%)，進行二氧化碳、一氧化碳、及其他氣體成分的分離。對PSA氣體分離裝置101所供應的高爐氣體供應量係1500公升/hr(標準狀態換算)。

PSA氣體分離裝置101中，將第1吸附步驟的塔內最高壓力設為300kPa(錶壓)，將第1脫附步驟的塔內最低壓力設為-90kPa(錶壓)。接著，在PSA氣體分離裝置101中，將未被塔內的吸附劑所吸附之氣體，供應給PSA氣體分離裝置102。在PSA氣體分離裝置102中，將第2吸附步驟的塔內最高壓力設為200kPa(錶壓)，將第2脫附步驟的塔內最低壓力設為-90kPa(錶壓)。

結果，利用PSA氣體分離裝置101的第1脫附步驟所獲得氣體，係以二氧化碳為主成分的氣體，該氣體的取得量係293.3公升/hr(標準狀態換算)，二氧化碳濃度係90%，二氧化碳回收率(所回收二氧化碳氣體量相對於高爐氣體中之二氧化碳氣體量的比例)係80%。此外，利用PSA氣體分離裝置102的第2脫附步驟所獲得氣體，係以一氧化碳為主成分的氣體，該氣體的取得量係306.7公升/hr(標準狀態換算)，一氧化碳濃度係90%，一氧化碳回收率(所回收一氧化碳氣體量相對於高爐氣體中之一氧化碳氣體量的比例)係80%。PSA氣體分離裝置102中未被塔內吸附劑所吸附的氣體係以氮氣為主成分的氣體，取得量係900公升/hr(標準狀態換算)。

[實施形態3]

實施形態3之目的在於提供從高爐氣體中，執行依PSA法施行的操作，而選擇性將二氧化碳與氫進行濃縮‧分離的方法及裝置。

根據實施形態3之第1形態所提供的高爐氣體之分離方法，係重複施行包括有吸附步驟與脫附步驟之循環的高爐氣體之分離方法；該吸附步驟係從含有二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體中，使用經填充著對二氧化碳吸附能力相對高、且對氫吸附能力相對低之吸附劑的複數吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，在上述吸附塔內處於相對高壓狀態下，將上述高爐氣體導入於該吸附塔中，使該高爐氣體中的二氧化碳吸附於上述吸附劑上，再從該吸附塔中將非吸附氣體導出；該脫附步驟係在上述吸附塔內處於相對低壓狀態下，使二氧化碳從上述吸附劑脫附，並將脫附氣體導出於塔外；其中，將來自上述吸附塔的上述非吸附氣體，從上述吸附步驟開始時起至途中的時間點為止，經由氫回收配管將回收後，再經由不同於上述氫回收配管的出口配管取出。

當從高爐氣體中將二氧化碳設為主要目標氣體而進行分離回收時，為能依高回收率與高濃度進行回收，最好在吸附步驟中，截至使二氧化碳貫穿吸附劑為止前均進行二氧化碳吸附。相關吸附步驟的初期階段所導出非吸附氣體，高爐氣體的氣體成分中，相對的吸附容量較小之氫濃縮率最高，該非吸附氣體的氫濃度便為比較高。根據本發明的分離方法，藉由將氫濃度較高的初期階段非吸附氣體利用氫回收用專用配管進行回收，而執行利用1段PSA法施行的操作，便可從高爐氣體中將二氧化碳與氫等2成分施行濃縮‧分離。

實施形態3的第1形態，根據一實施形態，上述途中的時間點，係來自上述吸附塔的上述非吸附氣體中，氫濃度降低至既定濃度的時間點。

本發明第1形態，根據其他實施形態，上述途中的時間點係上述吸附步驟的時間經過既定比例時。

實施形態3的第1形態，最好在上述氫回收配管中，設置經填充入氫吸附能力相對低、且氮與一氧化碳吸附能力相對高之追加吸附劑的過濾器。

實施形態3的第1形態，最好上述追加吸附劑係沸石。

實施形態3的第1形態，最好上述吸附步驟係利用上述高爐氣體的壓力實施。

實施形態3的第1形態中，根據一實施形態，將上述脫附步驟中的上述吸附塔內壓力設為大氣壓。此情況，最好將在上述脫附步驟中導出於上述吸附塔外的脫附氣體其中一部分，利用壓縮機導入於已完成上述吸附步驟的其他吸附塔中。

實施形態3的第1形態中，根據另一實施形態，將上述脫附步驟的上述吸附塔內壓力減壓至未滿大氣壓。此情況，最好將上述脫附步驟被導出於上述吸附塔外的脫附氣體其中一部分，利用真空泵的吐出壓力，導入於已完成上述吸附步驟的其他吸附塔中。

實施形態3的第1形態中，最好在將上述高爐氣體導入於上述吸附塔中之前，便流通於經填充入優先吸附硫化合物之吸附劑的前處理塔中。

依照實施形態3的第2形態所提供高爐氣體之分離裝置，係從含有二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體，利用使用經填充入吸附劑之複數吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，於上述吸附塔內呈相對高壓狀態下，將上述高爐氣體導入於該吸附塔中，而使該高爐氣體中的二氧化碳吸附於上述吸附劑上，再從該吸附塔中將非吸附氣體導出，且在上述吸附塔呈相對低壓狀態下，使二氧化碳從上述吸附劑上脫附並將脫附氣體導出於塔外的高爐氣體之分離裝置；具備有：從來自上述吸附塔的上述非吸附氣體中，將氫回收的氫回收配管；不同於該氫回收配管的出口配管；以及使來自上述吸附塔的上述非吸附氣體，在上述氫回收配管中流通的狀態、或在上述出口配管中流通狀態間進行切換的切換手段，根據如此構成之高爐氣體之分離裝置，可適當進行實施形態3之第1態樣之高爐氣體之分離方法。

根據實施形態3，便可在吸附步驟中從吸附塔所導出的非吸附氣體中，僅針對從吸附步驟開始時起至既定時間點的氫濃度較高之氣體，經由氫回收配管進行回收。所以，利用1段PSA操作，將二氧化碳依較高濃度且高回收率進行回收，且相關氫亦是可回收經濃縮至既定以上的氣體。氫經濃縮之氣體的發熱量較高，可有效利用為燃料。

相關實施形態3的高爐氣體之分離方法，參照圖式進行具體說明。

圖8所示係為執行實施形態3的高爐氣體之分離方法，可使用的高爐氣體分離裝置概略構造。高爐氣體分離裝置X1係具備有3個吸附塔A、B、C、高爐氣體用配管201、非吸附氣體用配管202、氫回收配管203、非吸附氣體出口配管204、脫附氣體用配管205、脫附氣體回收配管206、洗淨用配管207、及迫淨氣體出口配管208，從含二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體中，分離回收：難吸附成分經濃縮的非吸附氣體、與易吸附成分經濃縮的脫附氣體，構成可執行變壓吸附式氣體分離法(PSA法)的構造。

高爐氣體係有如對來自煉鐵廠的高爐排出氣體施行過脫濕處理的氣體。該高爐氣體的組成(體積濃度)係例如二氧化碳19~24%、氮52~60%、氫2~6%、一氧化碳21~27%，雜質的硫化合物(硫化氫、羰基硫化物、或二硫化碳等)係含數ppm程度。

在吸附塔A、B、C中填充著既定吸附劑。該吸附劑係可使用具有優先吸附二氧化碳性質的物質。此種吸附劑係可採用以例如椰子殼、竹等植物質、或煤炭質、石油質等為原料的活性碳。

高爐氣體用配管1係為將高爐氣體導入於吸附塔A、B、C中，構成含有連接各吸附塔A、B、C的分枝配管301、302、303。在分枝配管301、302、303中分別設置前處理塔209。在各前處理塔209中均填充入會優先吸附硫化合物的吸附劑。該吸附劑最好經添加或混合入會選擇性吸附硫化合物的化學物質，例如使用經添加銅-鉻-鹼金屬三元觸媒的活性碳(粒狀白鷺TAC)。

非吸附氣體用配管202係使從吸附塔A、B、C所導出的非吸附氣體進行流通用，經由切換閥210連接於非吸附氣體出口配管204。氫回收配管203係經由切換閥210連接於非吸附氣體用配管2，供回收非吸附氣體其中一部分用。此外，在非吸附氣體用配管202中，於切換閥210附近設置氫濃度感測器211。氫濃度感測器211係經常對在非吸附氣體用配管202內流通氣體的氫濃度進行檢測。切換閥210係配合氫濃度感測器211所檢測得氣體的氫濃度，在使非吸附氣體用配管202內的氣體流通於氫回收配管203的狀態、與流通於非吸附氣體出口配管204的狀態間，進行自動切換的構造。此種氫濃度感測器211與切換閥210係負責本發明所謂切換手段的作用。

在氫回收配管203中設有過濾器212，在該過濾器212中填充著氫吸附能力較低、且氮與一氧化碳吸附能力較高的吸附劑(追加吸附劑)。此種吸附劑係可採用例如沸石。

脫附氣體用配管205係使從各吸附塔A、B、C所導出的脫附氣體流通用，經由切換閥213連接於脫附氣體回收配管206。洗淨用配管207係經由切換閥213連接於脫附氣體用配管205，將在脫附氣體用配管205中流通的脫附氣體其中一部分，返回吸附塔A、B、C中任一者中。在洗淨用配管207中設有壓縮機214。壓縮機214係供將脫附氣體輸送入各吸附塔A、B、C中。切換閥213係構成可在使脫附氣體用配管205內的氣體流通於脫附氣體回收配管206中的狀態、與流通於洗淨用配管207的狀態間進行切換。迫淨氣體出口配管208係供將從各吸附塔A、B、C所排出的氣體取出於系統外。

在各配管201、202、205、207、208中設有自動閥a~o。使用高爐氣體分離裝置X1執行依PSA法施行的高爐氣體分離，藉由選擇各自動閥a~o的開閉狀態與切換閥210、213的切換狀態，便在各吸附塔A、B、C中，重複執行例如由吸附步驟、洗淨步驟及脫附步驟構成的循環。

具體而言，吸附塔A、B、C中並行執行既定步驟(步驟1~6)。若示意圖示各步驟的高爐氣體分離裝置X1之氣體流動，便如圖9A~圖9F所示。

步驟1中，吸附塔A執行吸附步驟，吸附塔B執行洗淨步驟，吸附塔C執行脫附步驟，形成圖9A所示氣體流動狀態。

如圖8與圖9A所示，在吸附塔A中，經由高爐氣體用配管201、前處理塔209、及自動閥a，導入高爐氣體。在吸附塔A中，利用吸附劑優先吸附易吸附成分的二氧化碳，並將非吸附氣體導出於塔外。吸附步驟的吸附壓力係例如100~400kPa(錶壓)。此處，在高爐氣體導入之際，可利用來自高爐排出氣體的原壓執行吸附步驟。所以，此情況，便不需要使用為執行吸附步驟用的壓縮機。另外，被導入於吸附塔A中的高爐氣體，藉由在前處理塔209中通過，便將屬於雜質之微少量含有硫化合物去除。藉此，便可防止吸附塔A內的吸附劑，因硫化合物而劣化的不良情況發生。

吸附劑(活性碳)對各種氣體成分的吸附容量係具有二氧化碳一氧化碳＞氮＞氫的關係。圖10所示係活性碳對二氧化碳、一氧化碳、氮、氫，在常溫(25℃)下的吸附等溫線。其中，因為二氧化碳吸附容量極端大於其他氣體成分，因此即使將吸附壓力設為偏低，吸附劑對二氧化碳的吸附量仍比較多。

相關一氧化碳與氮的吸附容量，雖較小於二氧化碳，但較大於氫。所以，在吸附步驟初期，一氧化碳與氮亦會被某程度吸附，而相關在吸附步驟初期階段被導出於塔外的非吸附氣體，則會變成氫濃度相當高。圖11所示係吸附步驟的非吸附氣體氫濃度經時變化圖。非吸附氣體中的氫濃度係隨時間經過而降低，在某時間點便開始急遽下降。此現象判斷係若吸附步驟進行，吸附容量較小於二氧化碳的一氧化碳與氮並不會被吸附劑吸附，而是依非吸附氣體形式被導出於塔外，原本高爐氣體中濃度較低的氫(2~6%)，便會被高爐氣體中濃度較高的氮(52~60%)或一氧化碳(21~27%)稀釋的緣故所致。

實施形態3中，從吸附步驟開始時起至途中的時間點，將來自吸附塔A的非吸附氣體，經由自動閥k、非吸附氣體用配管202、切換閥210、氫回收配管203、及過濾器212，當作氫濃縮氣體進行回收。氫濃縮氣體的回收係當依氫濃度感測器211所檢測得非吸附氣體的氫濃度，降低至既定濃度的時間點便結束。然後，藉由切換閥210的切換，將來自吸附塔A的非吸附氣體經由非吸附氣體出口配管204取出。

在氫濃縮氣體回收結束時所設定的氫濃度(由氫濃度感測器211所檢測到氣體氫濃度)，係例如設定為5~90%範圍，較佳10~30%、更佳15~25%。當提高氫回收率時，便將氫濃縮氣體回收結束時的氫濃度設定為較低，當為提高氫濃縮率時，便提高設定該結束時的氫濃度。當重視氫回收率而將該結束時的氫濃度設為例如10%時，所回收氫濃縮氣體整體的氫濃度便為約30%，因為原本高爐氣體的氫濃度係2~6%，因此氫被濃縮達5倍以上。

此情況，氫回收率係約80%。此外，本實施形態中，在氫回收配管203中流通的氣體係藉由通過過濾器212，便效率佳地將一氧化碳與氮去除。根據該構造，頗適於提高所回收氫濃縮氣體的濃縮率。但，當並不需要如何提高氫濃縮氣體的濃縮率時，亦可未設置過濾器212。

吸附塔B係因為先施行吸附步驟(參照圖9F所示後述步驟6)，因此塔內升壓，且塔內的空間部中會殘留著以難吸附成分的氫、氮、一氧化碳為主成分之氣體、或與高爐氣體同程度組成的氣體。在吸附塔B中，從吸附塔C所導出的脫附氣體(包括中濃度二氧化碳)，將經由自動閥i、脫附氣體用配管205、切換閥213、壓縮機214、洗淨用配管207及自動閥e，而被導入於吸附塔B中。吸附塔B內的殘留氣體將被排出於塔外，並經由自動閥201、迫淨氣體出口配管208取出於系統外。藉此，在吸附塔B內的空間部中，便充滿著來自吸附塔C的脫附氣體。

在步驟2中，吸附塔A將施行吸附步驟，吸附塔B將施行脫附步驟，吸附塔C將施行脫附步驟，並形成如圖9B所示氣體流動狀態。

如圖8與圖9B所示，在吸附塔A中，如同步驟1般的導入高爐氣體，並將非吸附氣體導出於塔外。吸附步驟係執行至塔內的吸附劑貫穿為止。非吸附氣體係經由自動閥k、非吸附氣體用配管202、切換閥210及出口配管204而被取出。

吸附塔B中，自動閥201呈開放狀態，塔內壓力減壓至大氣壓，而開始從吸附劑上進行吸附氣體的脫附。此處，脫附初期的氣體係較二氧化碳不易被吸附的一氧化碳與氮含有較多，因此將與塔內空間部的氣體一起被排出於塔外。來自吸附塔B的排出氣體，將經由自動閥201、迫淨氣體出口配管208被取出於系統外。

吸附塔C中，在步驟1之後接著施行脫附步驟。此處，塔內從吸附劑上脫附的氣體係高濃度含有二氧化碳。相關從吸附塔C所導出的脫附氣體，經由自動閥i、脫附氣體用配管205、切換閥213、及脫附氣體回收配管206被回收。相關所回收的脫附氣體，例如二氧化碳濃度85~95%，二氧化碳回收率80~90%。

在步驟3、4中，如圖9C、圖9D所示，在吸附塔A中，如同步驟1、2的吸附塔B，施行洗淨步驟與脫附步驟，在吸附塔B中則如同步驟1、2的吸附塔C，施行脫附步驟，在吸附塔C中則如同步驟1、2的吸附塔A，施行吸附步驟。

在步驟5、6中，如圖9E、圖9F所示，在吸附塔A中，如同步驟1、2的吸附塔C，施行脫附步驟，在吸附塔B中，則如同步驟1、2的吸附塔A，施行吸附步驟，在吸附塔C中，則如同步驟1、2的吸附塔B，施行洗淨步驟與脫附步驟。

然後，藉由以上所說明的步驟1~6在高爐氣體分離裝置X1中重複實施，便從高爐氣體中分離回收含有高濃度二氧化碳的脫附氣體、與氫經濃縮的非吸附氣體。

以上，雖就實施形態3進行說明，惟本發明並不僅侷限於此，舉凡在不脫逸發明思想的範圍內均可進行各種變更。例如在上述洗淨步驟中，亦可僅將從其他吸附塔所導出的脫附氣體其中一部分當作洗淨用氣體用，同時將剩餘的脫附氣體從脫附氣體回收配管206進行回收。此外，例如實施形態3中，在吸附步驟中配合氫濃度而將氣體流動從氫回收配管203切換為非吸附氣體出口配管204，但切換氣體流動的時間點，例如亦可設為吸附步驟的時間經過既定比例時。此情況，例如從圖11所示氫濃度曲線、及目標氫濃縮氣體的氫濃度關係，例如只要預先設定在吸附步驟時間經過20~30%的時間點，便結束經由氫回收配管203的氣體回收便可，便不需要設置氫濃度感測器211。

實施形態3中，雖將脫附步驟的吸附塔內壓力設為大氣壓，但亦可取而代之，將施行脫附步驟時的塔內壓力減壓至未滿大氣壓。在脫附步驟之際若將塔內減壓，脫附氣體量便增加，且促進下一次吸附步驟所需要吸附劑的再生，俾可達提升該PSA法施行高爐氣體分離的整體性能。此情況，例如只要在脫附氣體用配管中設置真空泵便可，洗淨步驟中對某吸附塔的脫附氣體輸送，便可利用真空泵的吐出壓力實施。

另外，相關高爐氣體分離裝置的吸附塔數，並不僅侷限於上述實施形態所示的3塔而已，亦可為2塔或4塔以上。2塔的情況，例如PSA操作中只要省略洗淨步驟便可。

依照使用本發明高爐氣體分離裝置X1的高爐氣體之分離方法，便可在吸附步驟中從吸附塔所導出的非吸附氣體中，僅將從吸附步驟開始時起至既定時間點的氫濃度較高氣體，經由氫回收配管203進行回收。所以，根據本分離方法，利用1段的PSA操作，便可將二氧化碳依較高濃度且高回收率回收，且相關氫亦是可依經濃縮至既定以上的形式回收。上述實施形態中，就一例所述濃度30%程度的氫濃縮氣體，屬於發熱量較高，可有效利用為燃料。

[實施例]

其次，就實施形態3的有用性利用實施例進行說明。

[實施例1]

本實施例中，使用圖12所示高爐氣體分離裝置X2，在以下所說明的條件下，重複施行由圖9所示步驟構成的循環，而嘗試施行高爐氣體的分離。高爐氣體分離裝置X2相較於圖8所示高爐氣體分離裝置X1之下，不同處在於追加設置：在過濾器212前後設置著分枝狀連接於氫回收配管203的旁通配管215、分枝狀連接於旁通配管215的配管216、在氫回收配管203中位於過濾器212下游側的氫濃度感測器217、及閥p~t。

吸附塔A、B、C係設為圓筒狀容器，在各吸附塔A、B、C的內部填充著活性碳吸附劑2公升。高爐氣體係使用依體積濃度計，二氧化碳22%、氮52%、氫3%、一氧化碳23%者。高爐氣體供應量係設為1500公升/hr(標準狀態換算)。吸附步驟中的吸附塔A、B、C內最高壓力係設為300kPa(錶壓)、脫附步驟的最低壓力係設為-90kPa(錶壓)。此外，在氫回收配管203上所安裝的過濾器212中，填充著沸石系吸附劑0.2公升。

本實施例中，經由切換閥210導入於氫回收配管203中的氫濃縮氣體，藉由將閥p、q、t關閉，便不會通過過濾器212而通過旁通配管215並回收。結果，吸附步驟中從吸附塔A、B、C所導出非吸附氣體中的氫濃度，若使用氫濃度感測器211進行確認，便如圖9所示，吸附步驟初期雖保持92%高濃度，但經20秒後，濃度便急遽下降。所以，在吸附時間25秒降低至氫濃度20%前後的時間點，便結束來自氫回收配管203的氫回收。此外，在最終的氫氣體濃度大致等於高爐氣體濃度的時間點，即從吸附步驟開始起經50秒的時間點，亦結束吸附步驟。本條件下的氫回收率約50%，所回收的氫濃縮氣體整體之氫濃度約65%。且，相關脫附步驟時所回收的脫附氣體(高濃度二氧化碳)，二氧化碳濃度約98%，回收率達90%。

[實施例2]

本實施例中，經由切換閥210被導入氫回收配管203中的氫濃縮氣體，藉由將閥r、t關閉，便不會通過旁通配管215，而通過過濾器212並回收。除此以外的條件均設為如同實施例1。結果，使用氫濃度感測器211所確認的氫濃度變動，係如同實施例1，但相關通過過濾器212的氣體，經利用氫濃度感測器217檢測的氫濃度，在吸附步驟開始後經25秒，便從92%開始減少，爾後的濃度下降曲線便如同實施例1。

所以，在氫濃度降低至20%前後之從吸附步驟開始起經30秒的時間點，便結束來自氫回收配管203的氣體回收。此外，在氫濃縮氣體的回收結束之同時，亦將在過濾器212下游所設置的閥s關閉，且打開閥t，使過濾器212內的壓力下降至大氣壓，藉此便將被過濾器212內的吸附劑所吸附雜質施行脫附。本脫附操作係實施至剛要施行下一吸附步驟之前。藉由本脫附操作，便可將過濾器212再生。本條件下，氫回收率約53%，所回收的氫濃縮氣體整體之氫濃度將提升至約69%。

1‧‧‧第一段氣體分離精製裝置

1、201‧‧‧高爐氣體用配管

2‧‧‧第二段氣體分離精製裝置

2、202‧‧‧非吸附氣體用配管

3’‧‧‧第三段氣體分離精製裝置

4‧‧‧混合器

5‧‧‧排氣裝置

6‧‧‧送風裝置

101、102‧‧‧PSA氣體分離裝置

103‧‧‧高爐氣體供應配管

104、203‧‧‧氫回收配管

105‧‧‧非吸附氣體送出配管

106、108、206‧‧‧脫附氣體回收配管

107．．．非吸附氣體取出配管

204．．．非吸附氣體出口配管

205．．．脫附氣體用配管

207．．．洗淨用配管

208．．．迫淨氣體出口配管

209．．．前處理塔

210、213．．．切換閥

211、217．．．氫濃度感測器

212．．．過濾器

214．．．壓縮機

215．．．旁通配管

216．．．配管

301、302、303．．．分枝配管

a．．．高爐氣體

A、B、C．．．吸附塔

a~o．．．自動閥

b．．．由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體

c、h．．．由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體

d．．．由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體

e．．．氣體d中氮較少的氣體

f．．．由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體

g‧‧‧由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體

i‧‧‧氣體

j‧‧‧由一氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體

k‧‧‧由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體

l‧‧‧由二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體

p~t‧‧‧閥

X‧‧‧高爐氣體分離系統

X1、X2‧‧‧高爐氣體分離裝置

圖1為實施形態1的高爐氣體之分離方法步驟圖。

圖2為實施形態1中，第一段與第二段氣體分離步驟中使用變壓吸附裝置時的分離操作示意圖。

圖3為圖2所示實施形態1中，氫分離裝置係利用吸附施行的分離裝置時，由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體的分離操作示意圖。

圖4A為圖2所示實施形態1中，氫分離裝置係利用吸附施行的分離裝置時，依減壓施行的脫氣操作示意圖。

圖4B為圖2所示實施形態1中，氫分離裝置係利用吸附施行的分離裝置時，利用由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體施行的洗淨操作示意圖。

圖4C為圖2所示實施形態1中，氫分離裝置係利用吸附施行的分離裝置時，利用由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體施行的逆洗淨操作示意圖。

圖5所示係執行實施形態2的高爐氣體之分離方法時，可使用的高爐氣體分離系統概略構造圖。

圖6為活性碳對各種氣體的吸附等溫線圖。

圖7為氯化銅添加活性碳對各種氣體的吸附等溫線圖。

圖8為執行實施形態3的高爐氣體之分離方法時，可使用的高爐氣體分離裝置一例概略構造圖。

圖9A至F 為實施形態3的高爐氣體之分離方法各步驟所對應的氣體流動圖。

圖10為活性碳對各種氣體的吸附等溫線圖。

圖11為吸附步驟中，非吸附氣體中的氫濃度經時變化一例圖。

圖12為執行實施形態3的高爐氣體之分離方法時，可使用的高爐氣體分離裝置另一例概略構造圖。

Claims (24)

1. 一種高爐氣體之分離方法，係當使用二段的氣體分離精製裝置，分別依含有各種成分的氣體對從高爐中所排出高爐氣體進行分離之際，首先係將高爐氣體用第一段氣體分離精製裝置，分離為：由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、以及由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體；接著，就該等分離氣體中，將由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，利用第二段氣體分離精製裝置分離為：由一氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、由二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、以及由一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。
2. 如申請專利範圍第1項之高爐氣體之分離方法，其中，上述第一段氣體分離精製裝置係填充著對屬於高爐氣體中所含成分的氮、一氧化碳、二氧化碳及氫之中，會吸附一氧化碳與二氧化碳之物質的吸附分離裝置；另一方面，上述第 二段氣體分離精製裝置係填充著對該高爐氣體中的成分中，會吸附二氧化碳之物質的吸附分離裝置。
3. 如申請專利範圍第1項之高爐氣體之分離方法，其中，上述第一段氣體分離精製裝置係填充著對屬於高爐氣體中所含成分的氮、一氧化碳、二氧化碳及氫中，會吸附一氧化碳與二氧化碳之物質的吸附分離裝置；上述第二段氣體分離精製裝置係利用吸收二氧化碳而施行分離的化學式吸收裝置。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之高爐氣體之分離方法，其中，將利用上述第一段氣體分離精製裝置施行分離的由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，導入於配置著氫穿透膜或會吸附除氫以外成分之吸附劑的第三段氣體分離精製裝置，並從由氮、氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，分離為由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體、以及由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體。
5. 如申請專利範圍第4項之高爐氣體之分離方法，其中，當利用上述會吸附除氫以外成分的吸附劑，從由氫、氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體中，分離出由氫及不可避免雜質氣體成分所構成氣體時，利用下述操作對已吸附著除氫以外成分的吸附劑施行脫附處理：將上述第三段氣體分離精製裝置內施行減壓的脫氣操作；從上述第三段氣體分離精製裝置的入口側利用氫施行的 洗淨操作；或從上述第三段氣體分離精製裝置的出口側利用氫施行的逆洗淨操作。
6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之高爐氣體之分離方法，其中，將利用上述第一段氣體分離精製裝置施行分離之由氮、一氧化碳、二氧化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，再度供應給第一段氣體分離精製裝置。
7. 如申請專利範圍第6項之高爐氣體之分離方法，其中，利用上述第一段氣體分離精製裝置施行分離的由氮、一氧化碳、二氣化碳及不可避免雜質氣體成分所構成氣體中，將氮含有量佔整體氣體40體積%以下的氣體回收為煉鐵廠的燃料氣體。
8. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之高爐氣體之分離方法，其中，將利用上述第一段氣體分離精製裝置進行分離之由氮及不可避免雜質氣體成分所構成氣體，再度供應給第一段氣體分離精製裝置。
9. 一種高爐氣體之分離方法，係為將含二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體施行分離的方法，包括有：第1變壓吸附式氣體分離步驟，其乃重複施行包括有第1吸附步驟與第1脫附步驟的循環；該第1吸附步驟係利用使用第1吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，將上述高爐氣體導入上述第1吸附塔中，在使該高爐氣體中的二氧化碳吸 附於上述第1吸附劑上的情況下，從該吸附塔中將第1非吸附氣體導出；該第1吸附塔中填充著用以優先吸附二氧化碳的第1吸附劑；該第1脫附步驟係使二氧化碳從上述第1吸附劑上脫附，並將脫附氣體導出於塔外；以及第2變壓吸附式氣體分離步驟，其乃重複施行包括有第2吸附步驟與第2脫附步驟的循環；該第2吸附步驟係利用使用第2吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，將上述第1非吸附氣體導入上述第2吸附塔中，在使該第1非吸附氣體中的一氧化碳吸附於上述第2吸附劑上的情況下，從該吸附塔中將第2非吸附氣體導出；該第2吸附塔中填充著用以優先吸附一氧化碳的第2吸附劑；該第2脫附步驟係使一氧化碳從上述第2吸附劑上脫附，並將脫附氣體導出於塔外；上述第1吸附步驟中，從上述第1吸附塔中所導出的上述第1非吸附氣體中，將從上述第1吸附步驟開始時起至既定時間點為止所導出的氣體，經由氫回收配管而回收。
10. 如申請專利範圍第9項之高爐氣體之分離方法，其中，上述第1吸附劑係活性碳。
11. 如申請專利範圍第9或10項之高爐氣體之分離方法，其中，上述第2吸附劑係經添加氯化銅的活性碳。
12. 一種高爐氣體之分離裝置，係供將含有二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體施行分離用的裝置，具備有：第1變壓吸附式氣體分離裝置，其乃利用使用第1吸附塔 施行的變壓吸附式氣體分離法，將上述高爐氣體導入上述第1吸附塔中，在使該高爐氣體中的二氧化碳吸附於上述第1吸附劑上的情況下，從該吸附塔中將第1非吸附氣體導出，且使二氧化碳從上述第1吸附劑上脫附，並將脫附氣體導出於塔外；在該第1吸附塔中填充著用以優先吸附二氧化碳的第1吸附劑；以及第2變壓吸附式氣體分離裝置，其乃利用使用第2吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，將上述第1非吸附氣體導入上述第2吸附塔中，在使該第1非吸附氣體中的一氧化碳吸附於上述第2吸附劑上的情況下，從該吸附塔中將該第2非吸附氣體導出，且使一氧化碳從上述第2吸附劑上脫附，並將脫附氣體導出於塔外；在該第2吸附塔中填充著用以優先吸附一氧化碳的第2吸附劑；從上述第1吸附塔中所導出的上述第1非吸附氣體中，將從上述第1吸附塔開始吸附時起至既定時間點為止所導出的氣體，經由氫回收配管而回收。
13. 一種高爐氣體之分離方法，係重複施行包括有吸附步驟與脫附步驟之循環的高爐氣體之分離方法；該吸附步驟係從含有二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體中，利用使用經填充著對二氧化碳吸附能力相對高、且對氫吸附能力相對低之吸附劑的複數吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，在上述吸附塔內處於相對高壓狀態下，將上述高爐氣體 導入於該吸附塔中，使該高爐氣體中的二氧化碳吸附於上述吸附劑上，再從該吸附塔中將非吸附氣體導出；該脫附步驟係在上述吸附塔內處於相對低壓狀態下，使二氧化碳從上述吸附劑脫附，並將脫附氣體導出於塔外；其中，將來自上述吸附塔的上述非吸附氣體，從上述吸附步驟開始時起至途中的時間點為止，經由氫回收配管將回收後，再經由不同於上述氫回收配管的出口配管取出。
14. 如申請專利範圍第13項之高爐氣體之分離方法，其中，上述途中的時間點係來自上述吸附塔的上述非吸附氣體之氫濃度降低至既定濃度的時間點。
15. 如申請專利範圍第13項之高爐氣體之分離方法，其中，上述途中的時間點係上述吸附步驟的時間經過既定比例時。
16. 如申請專利範圍第13至15項中任一項之高爐氣體之分離方法，其中，上述氫回收配管中設有經填充入氫吸附能力相對低、且氮與一氧化碳吸附能力相對高之追加吸附劑的過濾器。
17. 如申請專利範圍第16項之高爐氣體之分離方法，其中，上述追加吸附劑係沸石。
18. 如申請專利範圍第13至15項中任一項之高爐氣體之分離方法，其中，上述吸附步驟係利用上述高爐氣體的壓力實施。
19. 如申請專利範圍第18項之高爐氣體之分離方法，其中，上述脫附步驟中，將上述吸附塔內的壓力設為大氣壓。
20. 如申請專利範圍第19項之高爐氣體之分離方法，其中，上述脫附步驟中，將被導出於上述吸附塔外的脫附氣體之其中一部分，利用壓縮機導入於已完成上述吸附步驟的其他吸附塔中。
21. 如申請專利範圍第18項之高爐氣體之分離方法，其中，上述脫附步驟中，將上述吸附塔內的壓力減壓至未滿大氣壓。
22. 如申請專利範圍第21項之高爐氣體之分離方法，其中，上述脫附步驟中，將被導出於上述吸附塔外的脫附氣體之其中一部分，利用真空泵的吐出壓力而導入於已完成上述吸附步驟的其他吸附塔中。
23. 如申請專利範圍第13至15項中任一項之高爐氣體之分離方法，其中，將上述高爐氣體導入於上述吸附塔中之前，係流通於經填充入優先吸附硫化合物之吸附劑的前處理塔中。
24. 一種高爐氣體之分離裝置，係用以從含有二氧化碳、氮、氫及一氧化碳的高爐氣體，利用使用經填充入吸附劑之複數吸附塔施行的變壓吸附式氣體分離法，於上述吸附塔內呈相對高壓狀態下，將上述高爐氣體導入於該吸附塔中，而使該高爐氣體中的二氧化碳吸附於上述吸附劑上，再從該吸 附塔中將非吸附氣體導出，且在上述吸附塔呈相對低壓狀態下，使二氧化碳從上述吸附劑上脫附並將脫附氣體導出於塔外的高爐氣體之分離裝置；具備有：用以從來自上述吸附塔的上述非吸附氣體中，將氫回收的氫回收配管；不同於該氫回收配管的出口配管；以及使來自上述吸附塔的上述非吸附氣體，於在上述氫回收配管中流通的狀態及在上述出口配管中流通狀態間進行切換的切換手段。