JP2008201890A - 混合ガス供給装置、発熱量調整装置及び混合ガス供給装置における発熱量調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】都市ガス等、燃料ガスの発熱量安定化に好適な混合ガス供給装置及びその組成変動調整方法を提供する。
【解決手段】燃料ガス供給装置１は、ＬＮＧ貯槽５と、気化器３と、吸着材充填塔２と、これら装置間を接続する供給ラインＬ１乃至Ｌ３を備えている。ＬＮＧ貯槽５には、タンクローリ等により運ばれるＬＮＧが貯蔵されている。供給ラインＬ３の末端側には負荷装置（例えばガスエンジン）６が設置されている。吸着材充填塔２内には２種類の異なる吸着材、すなわち入口側の第１層には吸着材２ａ、出口側の第２層には吸着材２ｂが充填されている。各層の吸着材は、互いに吸着特性が異なるものを選択する。例えば、石炭原料活性炭及びヤシガラ原料活性炭を選択することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、混合ガス供給装置、発熱量調整装置及びその組成変動調整方法に係り、特に、都市ガス等、燃料ガスの発熱量安定化に好適な混合ガス供給装置、発熱量調整装置及びその組成変動調整方法に関する。

近年、大都市圏から離れた地方における都市ガス需要の増加に伴い、ＬＮＧ（液化天然ガス）サテライト基地が多く建設されている。ＬＮＧサテライト基地は、ＬＮＧ貯槽と気化器を備えた設備であり、沿岸のＬＮＧ受入基地からローリーでＬＮＧを輸送し、ＬＮＧ貯槽に一旦貯蔵した後に、ＬＮＧを気化して工業団地や住宅地などに都市ガスとして供給するためのものである。

このようなＬＮＧサテライト供給方式においては、気化器稼動開始時や負荷変動、気温変化等に伴う供給ガスの発熱量変動が起こる場合があり、このため供給ガスの発熱量安定化のための種々の技術が開示されている。気化器自体の改良としては、ＬＮＧ気化器の停止時にパージラインからＬＰＧをパージする技術が提案されている（例えば特許文献１）。
また、吸着材を用いた発熱量調整装置として、気化器下流側に活性炭を充填した吸着材充填塔を設けて、発熱量を平準化する技術が提案されている（例えば特許文献２）。図８は、このような吸着材充填塔を用いた従来の発熱量調整装置１００を示す。従来の発熱量調整装置１００は、ＬＮＧ貯槽１０１、外気を加熱源とする気化器１０２、吸着材充填塔１０３を主要構成とする。吸着材充填塔１０３内には細孔直径２．０〜３．０ｎｍの活性炭が充填されている。このような構成により、タンクローリ１０５、ライン１０６を介して供給されるＬＮＧをＬＮＧ貯槽１０１に一旦貯蔵し、気化器１０２で気化して天然ガスとし、さらに吸着材充填塔１０３を通過させる。これにより、気化器出側において高沸点（重質炭化水素）成分の組成比が高くガス発熱量が高いときには、高沸点成分を吸着材で吸着し、また低沸点成分であるメタンの組成比が高くガス発熱量が低いときには、吸着した高沸点成分を脱着させて発熱量を平準化する。

特開平７−１０９４７６号公報 特開２００５-２７３７５３号公報

しかしながら、従来の吸着材による発熱量調整方法においては、吸着材の吸着量に限界があるため、充填塔の単位体積当たりガス処理量が制限される。従って、都市ガス供給のような高度の発熱量安定化が必要とされる場合には、吸着材充填量を増やすことが必要となり、充填塔容積の大型化、建設作業や設置作業の煩雑化が避けられないという問題がある。

本発明は、このような課題を解決するためのものであって、吸着材を用いた混合ガス供給装置において、充填塔の吸着材充填量を増やすことなく、組成変動を一定範囲に抑えてガス供給を可能とする混合ガス供給装置を提供するものである。本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、

請求項１の発明は、ガス組成が経時的に変化する混合ガスを供給する供給ラインと、供給ライン中に介在する吸着材充填塔と、を備えた混合ガス供給装置であって、該吸着材充填塔は、混合ガス中の各成分ガスに対して、異なる吸着特性を有する吸着材を示す複数の吸着材を充填して成ることを特徴とする混合ガス供給装置である。
本発明において、「混合ガス」は、化学工業における原料ガス、副生ガス、排気ガス、バイオマスによる生成ガス等を含む概念である。

「混合ガス」として、燃料ガスを用いることができ（請求項６）、また、メタンを主成分とする都市ガスとすることができる（請求項７）。
現在、全国の都市ガスはウオッベ指数及び燃焼速度指数に基づいて１４種類のガスグループに分類され、都市ガス事業者は特定したガス種の都市ガスを供給域内の需要家に対して供給することが、ガス事業法により義務付けられている。例えば、ＣＨ４を主成分とする１３Ａ都市ガスについては、５２．７≦ＷＩ≦５７．８、３５≦ＭＣＰ≦４７と定められている。ここにウオッベ指数（ＷＩ）は、ガスの発熱量Ｈ（ＭＪ／ｍ３）をガスの空気に対する比重ｓの平方根で割った数値、
ＷＩ＝Ｈ／√ｓ
で表され、ガス機器の完全燃焼性の指標となるものである。
また、燃焼速度指数（ＭＣＰ）は、次式で表される。

上式において、Ｓi、ｆiはそれぞれ都市ガス中の各可燃性ガスの燃焼速度及び係数、Ａｉは都市ガス中の各可燃性ガスの含有率（体積百分率）、Ｋは減衰係数である。各係数の具体的数値についてはガス事業法に示されているため、ここでは省略する。
従って、本発明による吸着材充填塔通過後の混合ガスのＷＩ及びＭＣＰを、上記１３Ａ都市ガスの範囲に制御することにより、供給域内で都市ガス１３Ａ用機器を良好に燃焼させることができる。
また、「吸着材」としては、活性炭、ゼオライト、シリカゲル、メソポーラスシリカ、活性アルミナ、有機金属錯体などを用いることができる。また、活性炭としては、石炭原料活性炭、ヤシガラ活性炭、木炭、石油原料活性炭、竹炭、フェノール樹脂活性炭、レーヨン由来活性炭、アクロニトリル由来活性炭、草炭、おがくず炭、泥炭などがある。

複数の吸着材の充填方式としては、吸着材充填塔に吸着材を均一に混合して充填することができ（請求項２）、また、複数の吸着材を層状に充填することもできる（請求項３）。
前記複数の吸着材は、各吸着材の細孔径分布、又は、比表面積の少なくとも一方に起因する吸着・脱着特性の相違に基づいて選択されたものであることを特徴とする（請求項４）。
前記複数の吸着材が、石炭原料活性炭、及び、ヤシガラ原料活性炭を含むことを特徴とする（請求項５）。

請求項８の発明は、請求項６又は７に記載の混合ガス供給装置であって、さらに充填塔通過後の燃料ガス又は都市ガスの発熱量を所定の範囲内に調整可能に構成したことを特徴とする発熱量調整装置である。
請求項９の発明は、上記各混合ガス供給装置において、ガス組成が経時的に変動する混合ガスを、異なる吸着特性を有する複数の吸着材を充填した吸着材充填塔を通過させて、混合ガスの組成変動を所定の範囲内に調整することを特徴とする組成変動調整方法である。
混合ガスが燃料ガス又は都市ガスの場合、上記吸着材充填塔を通過させることにより、発熱量を所定の範囲内に調整することができる（請求項１０）。

本発明により、充填塔の吸着材充填量を増やすことなく、組成変動を一定範囲に抑えてガス供給を可能とする混合ガス供給装置が可能となる。
また、混合ガスとして燃料ガス又は都市ガスを用いる発明にあっては、供給源から発熱量変動を伴うガスが供給された場合であっても、発熱量変動を一定範囲内に抑えて需要家に供給することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至６を参照してさらに詳細に説明する。なお、重複記載を回避するため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
（第一の実施形態）
本実施形態は、「混合ガス」としてＬＮＧを原料とする燃料ガスを用いるものである。ＬＮＧは軽質炭化水素であるメタン（ＣＨ４）を主成分とし、プロパン（Ｃ２Ｈ６）、その他重質炭化水素（ＣｍＨｎ）を含む。
図１は、本実施形態に係る燃料ガス供給装置１の全体構成を示す図である。燃料ガス供給装置１は、ＬＮＧ貯槽５と、気化器３と、吸着材充填塔２と、これら装置間を接続する供給ラインＬ１乃至Ｌ３を備えている。ＬＮＧ貯槽５には、不図示のタンクローリ等により運ばれるＬＮＧが貯蔵されている。供給ラインＬ３の末端側には負荷装置（例えばガスエンジン）６が設置されている。吸着材充填塔２内には２種類の異なる吸着材、すなわち入口側の第１層には吸着材２ａ、出口側の第２層には吸着材２ｂが充填されている。各層の吸着材は、互いに吸着特性が異なるものを充填する必要がある。例えば、石炭原料活性炭及びヤシガラ原料活性炭を選択することができる。

以上の構成により、燃料ガス供給装置１はＬＮＧ貯槽５内のＬＮＧを気化器３で気化して天然ガスとし、吸着材充填塔２を通過させて発熱量を平準化した後に、供給ラインＬ３を介して負荷装置６に供給する。この場合、吸着材充填塔２を通過させることにより、気化器始動時等、供給ガス中の重質炭化水素（重質ガス）の組成比が増大して発熱量が高いときは、重質ガスに対する吸着量の大きい吸着材（例えば吸着材２ａ）がまずこれらの成分を吸着し、その後、他の吸着材（例えば吸着材２ｂ）も作用する。また、重質ガス組成比が減少して発熱量が低くなったときは、吸着時に後から作用した吸着材２ｂが先に作用して重質ガスを脱着し、その後吸着材２ａが作用する。このように両吸着材が段階的に作用することにより、単一吸着材を用いた充填塔と比較して、発熱量平準化効果が高まる。

なお、本実施形態では、２種類の吸着材を用いた形態を示したが、３種類以上の吸着材を層状に配置することもできる。
また、吸着材充填の積層順序は吸着性能に関係しない。

（第二の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図２は、本実施形態に係る燃料ガス供給装置２０の全体構成を示す図である。燃料ガス供給装置２０が燃料ガス供給装置１と異なる点は、吸着材充填塔２１内の吸着材の構成である。すなわち、吸着材充填塔２１においては、吸着材２ａと吸着材２ｂが層状に充填されているのではなく、両吸着材が均一に混合されて充填されていることである。その他の構成は燃料ガス供給装置１と同一であるので、説明を省略する。
燃料ガス供給装置２０においても、上述と同様の吸着・脱着メカニズムにより単一の吸着材を充填した供給装置と比較して発熱量変動幅を小さくすることが可能となる。

次に本発明による発熱量平準化効果を確認するため、発熱量が周期的に変動するＬＮＧ気化ガスを本発明に係る吸着材充填容器に流入させ、充填容器出口におけるガス発熱量を測定した。比較のため、従来方式による吸着材充填容器を用いた測定も併せて行った。以下、その内容について説明する
（供試吸着材）
石炭原料活性炭及びヤシガラ原料活性炭の２種類の吸着材を用いた。以下、簡単のため石炭原料活性炭を活性炭Ａ、ヤシガラ原料活性炭を活性炭Ｂと略称することがある。活性炭Ａ，Ｂの特性を表１に、細孔径分布（窒素吸着ＤＦＴ法による）を図３に示す。また、図７に活性炭Ａ、Ｂのメタン、プロパンに対する圧力−吸脱着量特性を示す。同図は、各圧力における活性炭に対するガス吸着量及び脱着量を示している。この圧力−吸脱着特性は、真空状態（０ＫＰａ）から圧力を上げていく過程で、ガス吸着量を測定している。さらに、所定の圧力に達した後、圧力を下げていく過程で、活性炭からガスが脱着していくが、その状態で活性炭に吸着されている量を測定している。

（充填容器及び充填方法）
表２中欄に、各実施例及び比較例における吸着材充填方法及び充填量を一覧にして示す。また、表２右欄のΔＨは、発熱量最大値（Ｈｍax）と最小値（Ｈmin）の差の１/２（ΔＨ＝（Ｈｍax−Ｈmin）／２）である。同表において、実施例１、２は上述の第一の実施形態に対応し、実施例１では第１層（入口側）に活性炭Ａ、第２層（出口側）に活性炭Ｂを配置し、実施例２は第１層に活性炭Ｂを、第２層に活性炭Ａを配置した。実施例３は第二の実施形態に対応し、活性炭Ａ、Ｂを均一に混合し、容器に充填した。また、比較例１は活性炭Ａのみを充填、比較例２は活性炭Ｂのみを充填した。なお、充填容器の内容積は３０ｃｃであり、実施例１〜３において、活性炭ＡとＢをそれぞれ１５ｃｃとなるように充填した。

（供試ガス物性及び測定方法）
供試ガスとして、２分間、ＬＮＧ気化ガス（組成：CH4：90.8%、C2H6：5.0%、C3H8：3.0%、i-C4H10：0.6%、n-C4H10：0.6%）をそのまま流し、その後１分間、このガスにプロパンを添加するサイクルを繰り返して得られる組成の混合ガスを用いた。この供試ガスを、充填容器を通さず直接熱量計で測定したときの発熱量変動は、最小４４．８ＭＪ/ｍ３、最大５０．５ＭＪ/ｍ３であった。
上記組成の供試ガスを、温度２５℃、空塔速度２０００ｈ^-１にて充填容器に流入させ、容器から流出するガスの発熱量を熱量計（Ａｄｖａｎｔｉｃａ社製、製品名：ＧａｓＰＴ）で測定した。測定回数は、実施例１、２については各３回、実施例３については２回、比較例については１回である。

（測定結果）
図４乃至６に、各実施例及び比較例における発熱量変動の時間的経緯データ例を示す。また、表２右欄のΔＨは、発熱量最大値（Ｈｍax）と最小値（Ｈmin）の差の１/２（ΔＨ＝（Ｈｍax−Ｈmin）／２）であり、各測定の変動幅比較容易化のため用いたものである。同表から２種類の吸着材を用いた場合は、１種類のみ充填の場合と比べて充填方法によらず発熱量平準化効果が高いことが分かる。また、充填吸着材の積層順序は、ほとんど平準化効果に影響しないことが分かる。なお、吸着材充填容器を通さないときのΔＨは、（５０．５−４４．８）／２＝２．８５（ＭＪ/ｍ３）である。

本発明は、燃料ガスの発熱量平準化に限らず、化学工業における原料ガス、副生ガス、排気ガス、バイオマスによる生成ガス等、組成変動する複数のガス成分からなる混合ガスの組成比調整に広く利用可能である。

第一の実施形態に係る燃料ガス供給装置１の構成を示す図である。 第一の実施形態に係る燃料ガス供給装置２０の構成を示す図である。 供試吸着材である活性炭Ａ、Ｂの細孔径分布を示す図である。 実施例１、２における発熱量変動の時間的経緯を示す図である。 実施例３における発熱量変動の時間的経緯を示す図である。 比較例１、２における発熱量変動の時間的経緯を示す図である。 活性炭Ａ、Ｂのメタン、プロパンに対する吸着特性を示す図である。 従来の燃料ガス供給装置１００の構成を示す図である。

符号の説明

１、２０・・・・燃料ガス供給装置
２、２１・・・・吸着材充填塔
２ａ、２ｂ・・・・吸着材
３・・・・気化器
５・・・・ＬＮＧ貯槽
６・・・・負荷装置
Ｌ１〜Ｌ３・・・・供給ライン

Claims (10)

1. ガス組成が経時的に変動する混合ガスを供給する供給ラインと、
   供給ライン中に介在する吸着材充填塔と、を備えた混合ガス供給装置であって、
   該吸着材充填塔は、混合ガス中の各成分ガスに対して異なる吸着特性を有する複数の吸着材を充填して成ることを特徴とする混合ガス供給装置。
2. 前記吸着材充填塔は、前記複数の吸着材を均一に混合して充填して成ることを特徴とする請求項１に記載の混合ガス供給装置。
3. 前記吸着材充填塔は、前記複数の吸着材を層状に充填して成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料混合ガス供給装置。
4. 前記複数の吸着材は、各吸着材の細孔径分布又は比表面積の少なくとも一方に起因する吸着・脱着特性の相違に基づいて選択されたものであることを特徴とする請求項１乃至３に記載の混合ガス供給装置。
5. 前記複数の吸着材が、石炭原料活性炭、及び、ヤシガラ原料活性炭を含むことを特徴とする請求項１乃至４に記載の混合ガス供給装置。
6. 前記混合ガスが、燃料ガスであることを特徴とする請求項１乃至５に記載の混合ガス供給装置。
7. 前記混合ガスが、メタンを主成分とする都市ガスであることを特徴とする請求項６に記載の混合ガス供給装置。
8. 請求項６又は７に記載の混合ガス供給装置であって、さらに前記吸着材充填塔通過後の燃料ガス又は都市ガスの発熱量を所定の範囲内に調整可能に構成したことを特徴とする発熱量調整装置。
9. 請求項１乃至７に記載の混合ガス供給装置において、
   ガス組成が経時的に変動する混合ガスを、異なる吸着特性を有する複数の吸着材を充填した吸着材充填塔を通過させて、混合ガスの組成変動を所定の範囲内に調整することを特徴とする混合ガス供給装置における組成変動調整方法。
10. 請求項６又は７に記載の混合ガス供給装置において、
    ガス組成が経時的に変化する燃料ガス又は都市ガスを、異なる吸着特性を有する複数の吸着材を充填した吸着材充填塔を通過させて、燃料ガス又は都市ガスの発熱量を所定の範囲内に調整することを特徴とする混合ガス供給装置における発熱量調整方法。
    
    

Images