メタン精製方法
【課題】非吸着ガスとともに排ガスとして排出されるメタンガス量を減少させ（収率を向上させ）つつ、得られるメタンガス純度を高くする。
【解決手段】原ガスを、連絡路弁ＶＲ１を閉止した状態で第一吸着塔１内が第一圧力になるまで供給路Ｌ１から供給する第一工程を行い、原ガスの供給を止め、非吸着ガスを、第二吸着塔２内の圧力が第一吸着塔１内と圧力差を有する第二圧力になるまで、第二吸着塔２に供給する第二工程を行い、メタン吸着剤１ａに吸着したガスを、製品回収圧力にて取出す第三工程、第一吸着塔１からの非吸着ガス供給を止め、第二吸着塔２で吸着しなかった排ガスを、第二吸着塔２内の圧力が製品回収圧力よりも高い第三圧力になるまで、取出す第四工程、第四工程を行った後に、メタン吸着剤２ａに吸着したガスを、製品回収圧力にて取出す第五工程を行う。
【解決手段】原ガスを、連絡路弁ＶＲ１を閉止した状態で第一吸着塔１内が第一圧力になるまで供給路Ｌ１から供給する第一工程を行い、原ガスの供給を止め、非吸着ガスを、第二吸着塔２内の圧力が第一吸着塔１内と圧力差を有する第二圧力になるまで、第二吸着塔２に供給する第二工程を行い、メタン吸着剤１ａに吸着したガスを、製品回収圧力にて取出す第三工程、第一吸着塔１からの非吸着ガス供給を止め、第二吸着塔２で吸着しなかった排ガスを、第二吸着塔２内の圧力が製品回収圧力よりも高い第三圧力になるまで、取出す第四工程、第四工程を行った後に、メタン吸着剤２ａに吸着したガスを、製品回収圧力にて取出す第五工程を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタン精製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、種々のガスをＰＳＡ（圧力揺動吸着法）により分離精製する技術が用いられている（特許文献１等）。
【０００３】
ＰＳＡによると、吸着塔に充填されたガス吸着材に原料ガス中の対象ガスを加圧条件下で吸着させ、不純物を非吸着ガスとして除去し、ガス吸着材に吸着された対象ガスを減圧条件下で脱着させることにより、原料ガス中の対象ガスを精製回収することができる。
【０００４】
このような吸着塔の加圧減圧動作は、通常タイマ制御され、吸着塔の運転効率に基き、適宜設定されている。そこで、メタンガスを精製するにあたり、非吸着ガスとともに排ガスとして排出されるメタンガス量を減少させつつ、得られるメタンガス純度を高くするためには、吸着塔の大きさ、吸着材の種類を、原料ガスの性状に応じて選定する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１６７２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、このように吸着塔を選定すると、通常、原料ガスに比して大掛かりな吸着塔を用いなければ所望のガス純度が得られなくなる傾向があるとともに、収率が低くなり、大気中に放散される排ガスの量が多くなるという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記実情に鑑み、大掛かりなメタン精製装置を用いることなく、メタンガスを精製するにあたり、非吸着ガスとともに排ガスとして排出されるメタンガス量を減少させ（収率を向上させ）つつ、得られるメタンガス純度を高くすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
［構成］
上記技術課題を解決するための本発明のメタンガス精製方法の特徴構成は、
メタン吸着材を充填した第一吸着塔および前記第一吸着塔よりも小容量の第二吸着塔を備えるとともに、第一、第二吸着塔を直列に接続する連絡路、第一吸着塔に原ガスを供給する供給路、第一吸着塔から吸着材を通過したガスを排出する第一抽気路、第二吸着塔から吸着材を通過したガスを排出する第二抽気路、前記第二吸着塔からの排気路を備えたメタン吸着部を有するメタン精製装置により、メタンを主成分とする原ガスを、メタン吸着剤にメタンを吸着させて、吸着しなかった不純物を分離するメタン精製方法であって、
原ガスを、連絡路を閉止した状態で前記第一吸着塔内が第一圧力になるまで前記供給路から供給する第一工程を行い、
前記供給路からの原ガスの供給を止め、前記第一吸着塔で吸着しなかった非吸着ガスを、前記第二吸着塔内の圧力が第一吸着塔内と圧力差を有する第二圧力になるまで、前記連絡路を介して第二吸着塔に供給する第二工程を行い、
前記第一吸着塔の吸着剤に吸着したガスを、製品回収圧力にて前記第一抽気路を介して取出す第三工程、
前記連絡路を介した前記第一吸着塔からの非吸着ガスの供給を止め、前記第二吸着塔で吸着しなかった排ガスを、前記第二吸着塔内の圧力が製品回収圧力よりも高い第三圧力になるまで、前記排気路を介して取出す第四工程、
前記第四工程を行った後に、前記第二吸着塔の吸着剤に吸着したガスを、製品回収圧力にて前記第二抽気路を介して取出す第五工程を行う点にある。
【０００９】
また、上記構成において、第二圧力が、第一吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、連絡路を介して第二吸着塔に供給した時点で到達する圧力であり、第三圧力が、第二吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、排気路を介して取出した時点で到達する圧力であることが好ましい。
【００１０】
［作用効果］
つまり、本発明のメタン精製方法を行うのに用いるメタン精製装置は、比較的簡単な２塔直列式の第一、第二吸着塔を備えたものが採用され、具体的には、メタン吸着材を充填した第一吸着塔および前記第一吸着塔よりも小容量の第二吸着塔を備えるとともに、第一、第二吸着塔を直列に接続する連絡路、第一吸着塔に原ガスを供給する供給路、（即ち原ガスは供給路のみから供給される）第一吸着塔から吸着材を通過したガスを排出する第一抽気路、第二吸着塔から吸着材を通過したガスを排出する第二抽気路（第一、第二抽気路により、第一、第二吸着塔が独立状態で動作可能）、前記第二吸着塔からの排気路を備えたメタン吸着部を有するから、前記供給路から供給された原ガスは、第一吸着塔でメタン吸着材に主成分とするメタンガスが吸着されて、メタン吸着部において不純物の濃縮されたガス（非吸着ガス）となる。この不純物の濃縮されたガスを効率よくメタン吸着部から除去することによって、前記メタン吸着材に吸着された純度の高いガスを得るとともに、前記非吸着ガスに含まれるメタンガス量を少なくすることができると考えられる。
【００１１】
ここで、原ガスを前記第一吸着塔内が第一圧力になるまで前記供給路から供給する第一工程を行い、上記非吸着ガスを得ることができる。
【００１２】
次に、前記供給路からの原ガスの供給を止め、前記第一吸着塔で吸着しなかった非吸着ガスを、第二吸着塔内が第一吸着塔内と圧力差を有する第二圧力になるまで、前記連絡路を介して第二吸着塔に供給する第二工程を行うと、前記第一吸着塔の非吸着ガスは、第二吸着塔に導入され、前記非吸着ガス中のメタンガスは、第二吸着塔内のメタン吸着材に吸着される。
【００１３】
ここで、第二圧力は、第一吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、連絡路を介して第二吸着塔に供給した時点で到達する圧力であること好ましい。
【００１４】
ここで「第一吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積」は、以下のようにして決定される上限と下限の範囲にある容積である。
【００１５】
上限＝メタン吸着材（粒状またはペレット状）を充填した真空状態の第一吸着塔に水素ガスを大気圧になるまで充填した時の大気圧における水素の容積。
【００１６】
水素ガスはメタン吸着材にほとんど吸着されないガスとして選定されており、このようにして求められる上限は実質的に、第一吸着塔の内容積から吸着材を構成する骨格部分の容積を除いた容積であり、前記第一吸着塔で吸着しなかった非吸着ガスが存在できる最大空間容積と考えられる。
【００１７】
この上限の容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量より多くのガスを第一吸着塔から第二吸着塔に供給することは、第一吸着塔のメタン吸着材からメタンを一部脱着させしまい、不要に該メタンも第二吸着塔に供給させてしまうことになる。このことは第二工程を終了した時点での第二吸着塔の排ガスのメタン濃度を高めてしまうので、後述の第四工程で排気路を介して取出す排ガス中のメタン量が多くなり、その結果精製したメタンの収率が小さくなってしまうという問題が起こるので好ましくない。
【００１８】
下限＝メタン吸着材（粒状またはペレット状）を充填した真空状態の第一吸着塔に水銀を大気圧になるまで充填した時の大気圧における水銀の容積。
【００１９】
水銀はメタン吸着材の細孔にほとんど入っていかない液体として選定されており、このようにして求められる下限は実質的に、第一吸着塔の内容積からメタン吸着材（粒状またはペレット状）の外表面で囲まれる容積を除いた容積であり、前記第一吸着塔で吸着しなかった非吸着ガスが存在できるガス空間の下限と考えられる。この下限の容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量より少ないガスを第一吸着塔から第二吸着塔に供給することは、第一吸着塔内の非吸着ガス中の不純物の残存量が増大してしまうことになるので、第三工程で第一抽気路を介して取出すガス中の不純物の濃度が大きくなってしまう（精製度合いが低下する）という問題が起こるので好ましくない。
【００２０】
これらの上限、下限は、メタン吸着材を充填した第二吸着塔に対して、前記上限と下限の定義中の操作をすることにより実験的に求めた容積の値と、第一吸着塔と第二吸着塔の容積比との積として得ることができる。
【００２１】
第二圧力の具体的な設定方法としては、前記連絡路の中間に流量計を敷設して連絡路を介して第二吸着塔に供給した流量を計量し、その計量値が第一吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量になった時点で到達した圧力を第二圧力として設定するという方法が挙げられる。
【００２２】
前記第一吸着塔では、第二工程を終了したときに、第一吸着塔内の非吸着ガスがメタンを主成分とするものにできるとともに、第二吸着塔内の非吸着ガスに含まれるメタンガスが、前記第二吸着塔で十分吸着され、さらに吸着されなかった非吸着ガス中に含まれるメタンガス量が少なくなる。
【００２３】
ここで、第二吸着塔の容量は第一吸着塔の容量より小容量とすることが好ましい。
こうすることにより、第一吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、連絡路を介して第二吸着塔に供給した時点で到達する第二吸着塔の圧力はより高くなるので、第二吸着塔のメタン吸着材に吸着されるメタンの量が増大し、第二吸着塔内の非吸着ガスのメタンガスの濃度はより小さくなる。つまり不純物の濃度をより高めることができる。その結果、後述の第五工程で排気路から取出される排ガス中のメタンガス量が低減し、メタンの収率を増大させることができる。
【００２４】
すると、第一吸着塔では、前記第一吸着塔の吸着剤に吸着したガスを、製品回収圧力にて、前記第一抽気路を介して取出す第三工程を行うことにより、純度の高められたメタンガスを、前記第一吸着塔より製品ガスとして取り出すことができる。（この第一吸着塔からの回収工程では、前記連絡路は閉止する。）
【００２５】
一方、第二吸着塔では、前記連絡路を介した前記第一吸着塔からの非吸着ガス供給を止め、前記第二吸着塔で吸着しなかった排ガスを第三圧力になるまで、前記排気路を介して取出す第四工程を、行うことにより、不純物がさらに濃縮された非吸着ガスを排気することができる。ここで、第三圧力が製品回収圧力よりも高い値に設定するので、その非吸着ガスにメタンガスが混入しにくい状態で排出することができるとともに、前記第二吸着塔に吸着されたメタンガスも高純度で保持されることになる。
【００２６】
ここで、第三圧力は、第二吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、排気路を介して取出した時点で到達する圧力であることが好ましい。
【００２７】
また「第二吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積」は、以下のようにして決定される上限と下限の範囲にある容積である。
【００２８】
上限＝メタン吸着材を充填した真空状態の第二吸着塔に水素ガスを大気圧になるまで充填した時の大気圧における水素の容積。
【００２９】
このようにして求められる上限は実質的に、第二吸着塔の内容積から吸着材を構成する骨格部分の容積を除いた容積であり、前記第二吸着塔で吸着しなかった非吸着ガスが存在できる最大空間容積と考えられる。
【００３０】
この上限の容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量より多くのガスを第二吸着塔から排気路を介して取出すことは、第二吸着塔のメタン吸着材からメタンを一部脱着させてしまい、不要に該メタンも排気路を介して取出してしまうことになり、精製したメタンの収率が小さくなってしまうという問題が起こるので好ましくない。
【００３１】
下限＝メタン吸着材を充填した真空状態の第二吸着塔に水銀を大気圧になるまで充填した時の大気圧における水銀の容積。
【００３２】
この下限の容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量より少ないガスを第二吸着塔から排気路を介して取出すことは、第二吸着塔内の非吸着ガス中の不純物の残存量が増大してしまうことになるので、第五工程で第二抽気路を介して取出すガス中の不純物の濃度が大きくなってしまう（精製度合いが低下する）という問題が起こるので好ましくない。
【００３３】
これらの上限、下限は、メタン吸着材を充填した第二吸着塔に対して、前記上限と下限の定義中の操作をすることにより実験的に求めた容積として得ることができる。
【００３４】
第三圧力の具体的な設定方法としては、前記排気路の中間に流量計を敷設して連絡路を介して取出した流量を計量し、その計量値が第二吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量になった時点で到達した圧力を第三圧力として設定するという方法が挙げられる。
【００３５】
すると、前記第四工程を行った後に、前記第二吸着塔の吸着剤に吸着したガスを、製品回収圧力にて、前記第二抽気路を介して取出す第五工程を行うことにより、前記第二吸着塔に吸着されたメタンガスも製品ガスとして取り出すことができるようになる。
【００３６】
したがって、排気されるガス中のメタンガス濃度をきわめて低くすることができると同時に、製品ガスとして回収されるメタンガスの濃度を高く設定することができる。そのため、効率良くメタン精製装置を運転しながら、大気中へのメタンガス放散量を減少させることができるので、省資源化が図れ、かつ地球温暖化の抑制を図ることができた。
【００３７】
上述の設定圧力で前記メタン精製装置を運転すると、たとえば容量６８７０ｍＬの第一吸着塔および２４００ｍＬの第二吸着塔に椰子殻活性炭をメタン吸着材として用いた場合に、メタン純度９８．５％の原ガスから収率９７．５％で、９９．４％の製品ガスを得ることができ、簡単な構成のメタン精製装置でありながら高い効率で高純度の製品メタンガスが得られたことになる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】メタン精製装置を示す概略図であり、実施の形態１のメタン精製方法の各工程を示す図である。
【図２】メタン吸着材のメタン吸着性能を示すグラフである。
【図３】実施の形態２のメタン精製方法の第三〜第五工程を示す図である。
【図４】実施の形態２のメタン精製方法のタイムサイクルを示す図である。
【図５】別実施の形態におけるメタン精製装置の概略図
【図６】別実施の形態のメタン精製方法のタイムサイクルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１に本発明のメタン精製方法に用いられるメタン精製装置の一例を示すとともに、以下に、本発明のメタン精製方法を説明する。尚、以下に好適な実施の形態を記すが、これら実施の形態は、それぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。
【００４０】
図１に示すように、メタン精製装置は、活性炭等のメタン吸着材１ａを充填した第一吸着塔１および前記第一吸着塔１よりも小容量の第二吸着塔２を備える。また、第二吸着塔２にも、メタン吸着材２ａを充填してある。
【００４１】
そして、第一吸着塔１に原ガスを供給する供給路Ｌ１、第一、第二吸着塔１，２を直列に接続する連絡路Ｌ２、前記第二吸着塔２からの排気路Ｌ３、第一吸着塔１から吸着材１ａを通過したガスを排出する第一抽気路Ｌ４、第二吸着塔２から吸着材２ａを通過したガスを排出する第二抽気路Ｌ５を備える。
【００４２】
前記供給路Ｌ１には、供給弁Ｖｓを備えるとともに、前記連絡路Ｌ２には連絡路弁ＶＲ１、前記排気路Ｌ３には、排気路弁ＶＲ２を設けてある。また、前記第一、第二抽気路Ｌ４，Ｌ５には、抽気弁（以下では順に第一、第二抽気弁と称する）Ｖ１，Ｖ２を設け、前記第一、第二抽気路Ｌ４，Ｌ５の合流部には、製品ガス回収弁ＶＲ３を設けてある。
【００４３】
これらの構成により、たとえば、下記実施の形態では、有機性廃棄物を嫌気性メタン発酵することにより得られたバイオガスを高圧水精製法でさらに精製して二酸化炭素を除去したガスを原ガスとして（メタン純度９８．５％）、前記メタン吸着材１ａ、２ａとして椰子殻活性炭を用いた場合に、収率９７．５％で、純度９９．４％の製品ガスを得ることができた。
【００４４】
尚、メタン吸着材１ａとしての椰子殻活性炭は、平均細孔径が０．４ｎｍ〜１．５ｎｍ、より好ましくは０．６ｎｍ〜１．２ｎｍであり、粒子径の分布が０．１ｍｍ〜６ｍｍ、より好ましくは０．２ｍｍ〜４ｍｍの範囲に実質的に含まれるものが好適に用いられる。
【００４５】
このメタン精製装置により、メタン精製を行う場合の具体例を以下に具体的に示す。
【００４６】
＜実施の形態１＞
上記メタン精製装置の具体的な仕様を以下に示す。
【００４７】
〔第一吸着塔〕
円筒形、ステンレス製
内径２０ｃｍ、長さ２２ｃｍ、内容積６８７０ｃｃ
メタン吸着材１ａの充填量は第一吸着塔１の容積の９０％とし、重量は３．５８ｋｇ
尚、吸着材充填層の中心部分には、多孔質管１ｂを挿入し、メタン吸着材１ａの充填層より下部および上部のガス空間のガスが多孔質管１ｂに自由に流入できるようにしてある。これにより多孔質管１ｂの表面よりガスが吸着材充填層内に拡散でき、メタン吸着材１ａの充填層内におけるガス吸着速度を高めている。
第一吸着塔１には第一圧力計Ｍ１が敷設されており、第一工程で第一圧力計Ｍ１が第一圧力になった時点で供給弁Ｖｓを閉止して原ガスの供給を停止する。
【００４８】
〔第二吸着塔〕
内径１５ｃｍ、長さ１３．６ｃｍ、内容積２４００ｃｃ
メタン吸着材２ａの充填量は第二吸着塔２の容積の９０％とし、重量は１．２５ｋｇ
第二吸着塔２には第二圧力計Ｍ２が敷設されており、第二工程では第二圧力計Ｍ２が第二圧力になった時点で連絡路弁ＶＲ１を閉止して非吸着ガスの供給を停止する。また第四工程では第二圧力計Ｍ２が第三圧力になった時点で排気路弁ＶＲ２を閉止する。
【００４９】
〔メタン吸着材〕
メタン吸着材１ａ、２ａはいずれも下記のものを用いる。
椰子殻活性炭、嵩密度０．５８ｇ／ｍｌ、平均細孔径約０．９ｎｍ、粒径分布０．２１ｍｍ〜３．３ｍｍ
【００５０】
上記メタン吸着材１ａ、２ａのメタン吸着性能は、図２のようになっている。ここで、第一、第二吸着塔１，２は、いずれも、内容積の９０％に前記メタン吸着材１ａ、２ａを充填してあり、２５℃において、前記メタン吸着材１ａ、２ａに吸着されるメタン量に加え、残余の空間に貯留されるメタンガス量も合わせた量をメタンガス吸着量として表している。
【００５１】
〔原ガス〕
メタン９８．５％、窒素１．５％（Ｃ１＝９８．５）
流量３０．６Ｌ／分
原ガス圧力 ０．９ＭＰａ（絶対圧力、以下同じ）
原ガスおよび吸着材の温度は２５℃
【００５２】
〔第一圧力〕
ゲージ圧力０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａ
【００５３】
〔製品回収圧力〕
大気圧（ゲージ圧力０ＭＰａ）または大気圧より低い圧力
【００５４】
第一圧力と製品回収圧力の差が大きいことは、少ないメタン吸着材１ａ量でより多くのメタンを吸着（すなわち脱着）できるので好ましく、第三工程および第五工程で、より多くのメタンを脱着できるので、相対的に不純物の割合が低下し、その結果精製ガスのメタン濃度をより高めることができるので好ましい。また第四工程で第二吸着塔２より排出させる排ガスのメタン濃度はより大きく低下しているので前記製品ガスとして利用できないメタンガス量をより低減できる。つまり原ガスに対するメタン収率をより高めることができる。
【００５５】
〔第一工程〕（第一吸着塔：昇圧工程）
図１（ａ）に示すように、連絡路弁ＶＲ１、第一抽気弁Ｖ１を閉成するとともに、供給弁Ｖｓを開成し、供給路Ｌ１から原ガスを供給する。
【００５６】
このとき第一吸着塔１の内圧は、所要時間約６分で、製品回収圧力Ｐ０＝０．１ＭＰａから第一圧力Ｐ１＝０．９０ＭＰａまで昇圧される。前記第一吸着塔１内の不純物濃度は７．３５％まで濃縮されている。
【００５７】
後述する第二工程の第二圧力の設定値は、前述のように、前記連絡路Ｌ２の中間に流量計（図示省略）を敷設して連絡路Ｌ２を介して第二吸着塔２に供給した流量を計量し、その計量値が、第一吸着塔１の内容積からメタン吸着材１ａの容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量になった時点で到達した圧力として求める。
【００５８】
本実施の形態では、第一吸着塔１の内容積からメタン吸着材１ａの容積を差引いた容積は下記の上限と下限の間の２．９３Ｌとした。この場合、第一吸着塔１の内容積からメタン吸着材１ａの容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量は、２．９３Ｌ×０．９ＭＰａ／０．１０１３ＭＰａ＝２６．０Ｌ（２５℃）であり、前記連絡路Ｌ２の中間に流量計を敷設して連絡路Ｌ２を介して第二吸着塔２に供給した流量を計量し、その計量値が２６．０Ｌ（２５℃）になった時点で到達した圧力、すなわち第二圧力は０．４１ＭＰａである。
【００５９】
また前記上限は、メタン吸着材１ａを充填した真空状態の第一吸着塔１に水素ガスを大気圧になるまで充填した時の大気圧における水素の容積として求められ、本実施の形態の場合、５．０８Ｌであり、前記下限は、メタン吸着材を充填した真空状態の第一吸着塔に水銀を大気圧になるまで充填した時の大気圧における水銀の容積として求められ、本実施の形態の場合、２，３９Ｌである。
【００６０】
また、製品回収圧力はＰ０＝０．１ＭＰａとし、製品ガスの目標純度を９９．４％に設定する。
【００６１】
〔第二工程〕（第一吸着塔：排気工程、第二吸着塔：給気工程）
図１（ｂ）に示すように、供給弁Ｖｓ、排気路弁ＶＲ２、第一、第二抽気弁Ｖ２を閉成するとともに、連絡路弁ＶＲ１を開成し、連絡路Ｌ２を通じて前記第一吸着塔１内のガスを第二吸着塔２に送る。
【００６２】
このとき前記第二吸着塔２の内圧が、所要時間約２分で、製品回収圧力Ｐ０＝０．１ＭＰａから第二圧力Ｐ２＝０．４１ＭＰａまで昇圧される。同時に第一吸着塔１の内部圧力は第一圧力Ｐ１＝０．９０ＭＰａからやや低いＰ４＝約０．８９ＭＰａまで減圧される。ここで、第二吸着塔２内の不純物濃度は、２９．３％まで濃縮されている。
【００６３】
〔第三工程〕（第一吸着塔：回収工程）
図１（ｃ）に示すように、供給弁Ｖｓ、連絡路弁ＶＲ１、第二抽気弁Ｖ２を閉成するとともに、第一抽気弁Ｖ１、製品ガス回収弁ＶＲ３を開成し、第一抽気路Ｌ４を介して前記第一吸着塔１内の吸着ガスを脱着させて製品ガスを回収する。
【００６４】
このとき、前記製品ガス回収弁ＶＲ３の圧力設定は、製品回収圧力Ｐ０＝０．１ＭＰａに設定されて、前記第一吸着塔１の内圧が、所要時間約４分で、第一圧力よりやや低い圧力Ｐ４＝約０．８９ＭＰａから製品回収圧力Ｐ０＝０．１ＭＰａにまで減圧される。
【００６５】
〔第四工程〕（第二吸着塔：排気工程）
図１（ｄ）に示すように、連絡路弁ＶＲ１、第二抽気弁Ｖ２を閉成した状態で、排気路弁ＶＲ２を開成し、排気路Ｌ３を介して、前記第二吸着塔２から第二吸着塔２内の非吸着ガスを排気する。
【００６６】
この第三圧力の設定値は、前述のように、前記排気路Ｌ３の中間に流量計（図示省略）を敷設して排気路Ｌ３を介して取出した流量を計量し、その計量値が、第二吸着塔の内容積からメタン吸着材２ａの容積を差引いた容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量になった時点で到達した圧力として求める。
【００６７】
本実施の形態では、第二吸着塔２の内容積からメタン吸着材２ａの容積を差引いた容積は下記の上限と下限の間の１．５３Ｌとした。この場合、第二吸着塔２の内容積からメタン吸着材２ａの容積を差引いた容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量は、
１．５３Ｌ×０．４１ＭＰａ／０．１０１３ＭＰａ＝６．１４Ｌ（２５℃）であり、前記排気路Ｌ３の中間に流量計を敷設して排気路を介して取出した流量を計量し、その計量値が６．１４Ｌ（２５℃）になった時点で到達した圧力、すなわち第三圧力Ｐ３は０．２０ＭＰａである。
【００６８】
また前記上限は、メタン吸着材２ａを充填した真空状態の第二吸着塔２に水素ガスを大気圧になるまで充填した時の大気圧における水素の容積として求められ、本実施の形態の場合、１．７８Ｌであり、前記下限は、メタン吸着材２ａを充填した真空状態の第二吸着塔２に水銀を大気圧になるまで充填した時の大気圧における水銀の容積として求められ、本実施の形態の場合、０．８３５Ｌである。
【００６９】
このとき、前記第二吸着塔２の内圧が所要時間約１分で、第二圧力Ｐ２＝０．４１ＭＰａから第三圧力Ｐ３＝０．２０ＭＰａに低下する。ここで前記第二吸着塔２から排気されたガス量は６．１４Ｌ（２５℃、大気圧）であり、そのガス中のメタンガス濃度は７３．３％である。
【００７０】
〔第五工程〕（第二吸着塔：回収工程）
図１（ｅ）に示すように、連絡路弁ＶＲ１、排気路弁ＶＲ２、第一抽気弁Ｖ１を閉成し、前記第二抽気弁Ｖ２および製品回収弁ＶＲ３を開成し、前記第二抽気路Ｌ５から前記第二吸着塔２内の吸着ガスを脱着させて、製品ガスを回収する。
【００７１】
このとき、前記前記製品ガス回収弁ＶＲ３の圧力設定は、製品回収圧力Ｐ０＝０．１ＭＰａに設定されて、前記第二吸着塔２の内圧が、所要時間約３分で、第三圧力Ｐ３＝０．２０ＭＰａから製品回収圧力Ｐ０＝０．１ＭＰａにまで減圧される。
【００７２】
以下、上記第一〜第五工程を繰り返すことにより製品ガスが得られる。得られたメタンガス純度は９９．４％であり、このときの原ガス中のメタンに対する製品ガス中のメタンの収率Ｙは、
Ｙ＝１００−（ｙ１×ｙ２÷１００）÷（ｙ３×ｙ４÷１００）×１００
ｙ１ 工程５で第二吸着塔２から排気したガス量＝６．１４Ｌ
ｙ２ 工程５で第二吸着塔２から排気させるガスのメタン濃度＝７３．３％
ｙ３ 工程１で第一吸着塔１に供給したガス量＝１８３．６Ｌ（＝３０．６Ｌ／分×６分）
ｙ４ 原ガスのメタン濃度＝９８．５％
より、９７．５％である。
【００７３】
＜実施の形態２＞
また、上述の各工程は、たとえば第三工程と、第四工程とを重複して行うことができ、また、第三工程と第五工程とを同時に行うことができるなど、タイムサイクルを効率化することができる。つまり、たとえば、各弁の開閉により、図１（ｃ）〜（ｅ）の工程を、図３（ｆ）、（ｇ）に示すように変更することができる。これにより、互いに干渉しない配管を有効利用し、第一吸着塔１における第三工程と第二吸着塔２における第四、第五工程とを同時に行うことによって、図４に示すようにタイムサイクルを効率化することができ、第一、第二吸着塔１，２の使用効率を高め、メタン精製効率を向上させることができる。尚、上述の例において、第三工程の終了よりも第五工程の終了が遅い場合には、第一工程（第一吸着塔１の昇圧工程）と、第五工程（第二吸着塔２の回収工程）を重複して行うことも可能である。
【００７４】
＜別実施の形態＞
上述の実施の形態で各弁の動作圧力に対応する開閉タイミングを見出すことができ、各工程において、各弁を圧力設定に基づいて開閉制御するのに代えて、所要時間に応じて開閉制御するように変更することもできる。この場合、第二工程で設定した第二圧力および第四工程で設定した第三圧力が得られる時間をそれぞれ事前に計測し、その結果を第二工程および第四工程の時間に設定することで、製品ガスの高い純度と高い収率を達成することができる。
【００７５】
さらに、上述の実施の形態では、第一、第二吸着塔１，２を１対用いてメタン精製を行ったが、２対以上用いてメタン精製を行うこともできる。即ち、たとえば、図５のように、構成することができる。
【００７６】
図５においては、第一、第二吸着塔１，２に加えて、第三、第四吸着塔１１，１２を設け、前記第一、第二吸着塔１，２における、第一吸着塔１、メタン吸着材１ａ、第二吸着塔２、メタン吸着材２ａ、供給路Ｌ１、連絡路Ｌ２、排気路Ｌ３、第一抽気路Ｌ４、第二抽気路Ｌ５、供給弁Ｖｓ、連絡路弁ＶＲ１、排気路弁ＶＲ２、第一、第二抽気弁Ｖ１，Ｖ２、製品ガス回収弁ＶＲ３、第一、第二圧力計Ｍ１，Ｍ２に代えて、第三吸着塔１１、メタン吸着材１１ａ、第四吸着塔１２、メタン吸着材１２ａ、供給路Ｌ１１、連絡路Ｌ１２、排気路Ｌ１３、第一抽気路Ｌ１４、第二抽気路Ｌ１５、供給弁Ｖ１ｓ、連絡路弁ＶＲ１１、排気路弁ＶＲ１２、第一、第二抽気弁Ｖ１１，Ｖ１２、製品ガス回収弁ＶＲ１３、第三、第四圧力計Ｍ１１，Ｍ１２を設けた構成としてある。
【００７７】
この構成によると、たとえば、図６に示すように、各工程を行うことができる。第三、第四吸着塔の動作は省略するが、第一、第二吸着塔の動作に準じるものとする。
【００７８】
これにより、第一、第三吸着塔への給気、昇圧を交互に連続的に行うことができるので、先の実施の形態に比べて、メタン精製装置の運転効率をより高く設定することができる。
【００７９】
＜比較例＞
実施の形態１に対して、第二吸着塔を第一吸着塔と同じ仕様とする。つまり２つの吸着塔の容積は同じとする。それ以外の仕様は実施の形態１と同じとする。
この場合、製品のメタンガスの純度を実施の形態１と同じ９９．４％にするためのメタンの収率は９５．４％に低下してしまう。つまり第五工程で排ガスとして取出されたメタンの量は、実施の形態１の２．５％（＝１００％−９７．５％）に対して４．６％と大幅に増大する。これは、第二吸着塔の容量が大きいため第二吸着塔の不純物の濃度が低下してしまい、その結果、製品ガスのメタン濃度を達成するために取出す排ガス量が増大するためである。
【符号の説明】
【００８０】
１ 第一吸着塔
１ａ メタン吸着材
２ 第二吸着塔
２ａ メタン吸着材
Ｌ１ 供給路
Ｌ２ 連絡路
Ｌ３ 排気路
Ｌ４ 第一抽気路
Ｌ５ 第二抽気路
Ｖｓ 供給弁
ＶＲ１ 連絡路弁
ＶＲ２ 排気路弁
Ｖ１ 第一抽気弁
Ｖ２ 第二抽気弁
ＶＲ３ 製品ガス回収弁
Ｍ１ 第一圧力計
Ｍ２ 第二圧力計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタン精製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、種々のガスをＰＳＡ（圧力揺動吸着法）により分離精製する技術が用いられている（特許文献１等）。
【０００３】
ＰＳＡによると、吸着塔に充填されたガス吸着材に原料ガス中の対象ガスを加圧条件下で吸着させ、不純物を非吸着ガスとして除去し、ガス吸着材に吸着された対象ガスを減圧条件下で脱着させることにより、原料ガス中の対象ガスを精製回収することができる。
【０００４】
このような吸着塔の加圧減圧動作は、通常タイマ制御され、吸着塔の運転効率に基き、適宜設定されている。そこで、メタンガスを精製するにあたり、非吸着ガスとともに排ガスとして排出されるメタンガス量を減少させつつ、得られるメタンガス純度を高くするためには、吸着塔の大きさ、吸着材の種類を、原料ガスの性状に応じて選定する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１６７２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、このように吸着塔を選定すると、通常、原料ガスに比して大掛かりな吸着塔を用いなければ所望のガス純度が得られなくなる傾向があるとともに、収率が低くなり、大気中に放散される排ガスの量が多くなるという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記実情に鑑み、大掛かりなメタン精製装置を用いることなく、メタンガスを精製するにあたり、非吸着ガスとともに排ガスとして排出されるメタンガス量を減少させ（収率を向上させ）つつ、得られるメタンガス純度を高くすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
［構成］
上記技術課題を解決するための本発明のメタンガス精製方法の特徴構成は、
メタン吸着材を充填した第一吸着塔および前記第一吸着塔よりも小容量の第二吸着塔を備えるとともに、第一、第二吸着塔を直列に接続する連絡路、第一吸着塔に原ガスを供給する供給路、第一吸着塔から吸着材を通過したガスを排出する第一抽気路、第二吸着塔から吸着材を通過したガスを排出する第二抽気路、前記第二吸着塔からの排気路を備えたメタン吸着部を有するメタン精製装置により、メタンを主成分とする原ガスを、メタン吸着剤にメタンを吸着させて、吸着しなかった不純物を分離するメタン精製方法であって、
原ガスを、連絡路を閉止した状態で前記第一吸着塔内が第一圧力になるまで前記供給路から供給する第一工程を行い、
前記供給路からの原ガスの供給を止め、前記第一吸着塔で吸着しなかった非吸着ガスを、前記第二吸着塔内の圧力が第一吸着塔内と圧力差を有する第二圧力になるまで、前記連絡路を介して第二吸着塔に供給する第二工程を行い、
前記第一吸着塔の吸着剤に吸着したガスを、製品回収圧力にて前記第一抽気路を介して取出す第三工程、
前記連絡路を介した前記第一吸着塔からの非吸着ガスの供給を止め、前記第二吸着塔で吸着しなかった排ガスを、前記第二吸着塔内の圧力が製品回収圧力よりも高い第三圧力になるまで、前記排気路を介して取出す第四工程、
前記第四工程を行った後に、前記第二吸着塔の吸着剤に吸着したガスを、製品回収圧力にて前記第二抽気路を介して取出す第五工程を行う点にある。
【０００９】
また、上記構成において、第二圧力が、第一吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、連絡路を介して第二吸着塔に供給した時点で到達する圧力であり、第三圧力が、第二吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、排気路を介して取出した時点で到達する圧力であることが好ましい。
【００１０】
［作用効果］
つまり、本発明のメタン精製方法を行うのに用いるメタン精製装置は、比較的簡単な２塔直列式の第一、第二吸着塔を備えたものが採用され、具体的には、メタン吸着材を充填した第一吸着塔および前記第一吸着塔よりも小容量の第二吸着塔を備えるとともに、第一、第二吸着塔を直列に接続する連絡路、第一吸着塔に原ガスを供給する供給路、（即ち原ガスは供給路のみから供給される）第一吸着塔から吸着材を通過したガスを排出する第一抽気路、第二吸着塔から吸着材を通過したガスを排出する第二抽気路（第一、第二抽気路により、第一、第二吸着塔が独立状態で動作可能）、前記第二吸着塔からの排気路を備えたメタン吸着部を有するから、前記供給路から供給された原ガスは、第一吸着塔でメタン吸着材に主成分とするメタンガスが吸着されて、メタン吸着部において不純物の濃縮されたガス（非吸着ガス）となる。この不純物の濃縮されたガスを効率よくメタン吸着部から除去することによって、前記メタン吸着材に吸着された純度の高いガスを得るとともに、前記非吸着ガスに含まれるメタンガス量を少なくすることができると考えられる。
【００１１】
ここで、原ガスを前記第一吸着塔内が第一圧力になるまで前記供給路から供給する第一工程を行い、上記非吸着ガスを得ることができる。
【００１２】
次に、前記供給路からの原ガスの供給を止め、前記第一吸着塔で吸着しなかった非吸着ガスを、第二吸着塔内が第一吸着塔内と圧力差を有する第二圧力になるまで、前記連絡路を介して第二吸着塔に供給する第二工程を行うと、前記第一吸着塔の非吸着ガスは、第二吸着塔に導入され、前記非吸着ガス中のメタンガスは、第二吸着塔内のメタン吸着材に吸着される。
【００１３】
ここで、第二圧力は、第一吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、連絡路を介して第二吸着塔に供給した時点で到達する圧力であること好ましい。
【００１４】
ここで「第一吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積」は、以下のようにして決定される上限と下限の範囲にある容積である。
【００１５】
上限＝メタン吸着材（粒状またはペレット状）を充填した真空状態の第一吸着塔に水素ガスを大気圧になるまで充填した時の大気圧における水素の容積。
【００１６】
水素ガスはメタン吸着材にほとんど吸着されないガスとして選定されており、このようにして求められる上限は実質的に、第一吸着塔の内容積から吸着材を構成する骨格部分の容積を除いた容積であり、前記第一吸着塔で吸着しなかった非吸着ガスが存在できる最大空間容積と考えられる。
【００１７】
この上限の容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量より多くのガスを第一吸着塔から第二吸着塔に供給することは、第一吸着塔のメタン吸着材からメタンを一部脱着させしまい、不要に該メタンも第二吸着塔に供給させてしまうことになる。このことは第二工程を終了した時点での第二吸着塔の排ガスのメタン濃度を高めてしまうので、後述の第四工程で排気路を介して取出す排ガス中のメタン量が多くなり、その結果精製したメタンの収率が小さくなってしまうという問題が起こるので好ましくない。
【００１８】
下限＝メタン吸着材（粒状またはペレット状）を充填した真空状態の第一吸着塔に水銀を大気圧になるまで充填した時の大気圧における水銀の容積。
【００１９】
水銀はメタン吸着材の細孔にほとんど入っていかない液体として選定されており、このようにして求められる下限は実質的に、第一吸着塔の内容積からメタン吸着材（粒状またはペレット状）の外表面で囲まれる容積を除いた容積であり、前記第一吸着塔で吸着しなかった非吸着ガスが存在できるガス空間の下限と考えられる。この下限の容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量より少ないガスを第一吸着塔から第二吸着塔に供給することは、第一吸着塔内の非吸着ガス中の不純物の残存量が増大してしまうことになるので、第三工程で第一抽気路を介して取出すガス中の不純物の濃度が大きくなってしまう（精製度合いが低下する）という問題が起こるので好ましくない。
【００２０】
これらの上限、下限は、メタン吸着材を充填した第二吸着塔に対して、前記上限と下限の定義中の操作をすることにより実験的に求めた容積の値と、第一吸着塔と第二吸着塔の容積比との積として得ることができる。
【００２１】
第二圧力の具体的な設定方法としては、前記連絡路の中間に流量計を敷設して連絡路を介して第二吸着塔に供給した流量を計量し、その計量値が第一吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量になった時点で到達した圧力を第二圧力として設定するという方法が挙げられる。
【００２２】
前記第一吸着塔では、第二工程を終了したときに、第一吸着塔内の非吸着ガスがメタンを主成分とするものにできるとともに、第二吸着塔内の非吸着ガスに含まれるメタンガスが、前記第二吸着塔で十分吸着され、さらに吸着されなかった非吸着ガス中に含まれるメタンガス量が少なくなる。
【００２３】
ここで、第二吸着塔の容量は第一吸着塔の容量より小容量とすることが好ましい。
こうすることにより、第一吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、連絡路を介して第二吸着塔に供給した時点で到達する第二吸着塔の圧力はより高くなるので、第二吸着塔のメタン吸着材に吸着されるメタンの量が増大し、第二吸着塔内の非吸着ガスのメタンガスの濃度はより小さくなる。つまり不純物の濃度をより高めることができる。その結果、後述の第五工程で排気路から取出される排ガス中のメタンガス量が低減し、メタンの収率を増大させることができる。
【００２４】
すると、第一吸着塔では、前記第一吸着塔の吸着剤に吸着したガスを、製品回収圧力にて、前記第一抽気路を介して取出す第三工程を行うことにより、純度の高められたメタンガスを、前記第一吸着塔より製品ガスとして取り出すことができる。（この第一吸着塔からの回収工程では、前記連絡路は閉止する。）
【００２５】
一方、第二吸着塔では、前記連絡路を介した前記第一吸着塔からの非吸着ガス供給を止め、前記第二吸着塔で吸着しなかった排ガスを第三圧力になるまで、前記排気路を介して取出す第四工程を、行うことにより、不純物がさらに濃縮された非吸着ガスを排気することができる。ここで、第三圧力が製品回収圧力よりも高い値に設定するので、その非吸着ガスにメタンガスが混入しにくい状態で排出することができるとともに、前記第二吸着塔に吸着されたメタンガスも高純度で保持されることになる。
【００２６】
ここで、第三圧力は、第二吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、排気路を介して取出した時点で到達する圧力であることが好ましい。
【００２７】
また「第二吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積」は、以下のようにして決定される上限と下限の範囲にある容積である。
【００２８】
上限＝メタン吸着材を充填した真空状態の第二吸着塔に水素ガスを大気圧になるまで充填した時の大気圧における水素の容積。
【００２９】
このようにして求められる上限は実質的に、第二吸着塔の内容積から吸着材を構成する骨格部分の容積を除いた容積であり、前記第二吸着塔で吸着しなかった非吸着ガスが存在できる最大空間容積と考えられる。
【００３０】
この上限の容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量より多くのガスを第二吸着塔から排気路を介して取出すことは、第二吸着塔のメタン吸着材からメタンを一部脱着させてしまい、不要に該メタンも排気路を介して取出してしまうことになり、精製したメタンの収率が小さくなってしまうという問題が起こるので好ましくない。
【００３１】
下限＝メタン吸着材を充填した真空状態の第二吸着塔に水銀を大気圧になるまで充填した時の大気圧における水銀の容積。
【００３２】
この下限の容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量より少ないガスを第二吸着塔から排気路を介して取出すことは、第二吸着塔内の非吸着ガス中の不純物の残存量が増大してしまうことになるので、第五工程で第二抽気路を介して取出すガス中の不純物の濃度が大きくなってしまう（精製度合いが低下する）という問題が起こるので好ましくない。
【００３３】
これらの上限、下限は、メタン吸着材を充填した第二吸着塔に対して、前記上限と下限の定義中の操作をすることにより実験的に求めた容積として得ることができる。
【００３４】
第三圧力の具体的な設定方法としては、前記排気路の中間に流量計を敷設して連絡路を介して取出した流量を計量し、その計量値が第二吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量になった時点で到達した圧力を第三圧力として設定するという方法が挙げられる。
【００３５】
すると、前記第四工程を行った後に、前記第二吸着塔の吸着剤に吸着したガスを、製品回収圧力にて、前記第二抽気路を介して取出す第五工程を行うことにより、前記第二吸着塔に吸着されたメタンガスも製品ガスとして取り出すことができるようになる。
【００３６】
したがって、排気されるガス中のメタンガス濃度をきわめて低くすることができると同時に、製品ガスとして回収されるメタンガスの濃度を高く設定することができる。そのため、効率良くメタン精製装置を運転しながら、大気中へのメタンガス放散量を減少させることができるので、省資源化が図れ、かつ地球温暖化の抑制を図ることができた。
【００３７】
上述の設定圧力で前記メタン精製装置を運転すると、たとえば容量６８７０ｍＬの第一吸着塔および２４００ｍＬの第二吸着塔に椰子殻活性炭をメタン吸着材として用いた場合に、メタン純度９８．５％の原ガスから収率９７．５％で、９９．４％の製品ガスを得ることができ、簡単な構成のメタン精製装置でありながら高い効率で高純度の製品メタンガスが得られたことになる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】メタン精製装置を示す概略図であり、実施の形態１のメタン精製方法の各工程を示す図である。
【図２】メタン吸着材のメタン吸着性能を示すグラフである。
【図３】実施の形態２のメタン精製方法の第三〜第五工程を示す図である。
【図４】実施の形態２のメタン精製方法のタイムサイクルを示す図である。
【図５】別実施の形態におけるメタン精製装置の概略図
【図６】別実施の形態のメタン精製方法のタイムサイクルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１に本発明のメタン精製方法に用いられるメタン精製装置の一例を示すとともに、以下に、本発明のメタン精製方法を説明する。尚、以下に好適な実施の形態を記すが、これら実施の形態は、それぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。
【００４０】
図１に示すように、メタン精製装置は、活性炭等のメタン吸着材１ａを充填した第一吸着塔１および前記第一吸着塔１よりも小容量の第二吸着塔２を備える。また、第二吸着塔２にも、メタン吸着材２ａを充填してある。
【００４１】
そして、第一吸着塔１に原ガスを供給する供給路Ｌ１、第一、第二吸着塔１，２を直列に接続する連絡路Ｌ２、前記第二吸着塔２からの排気路Ｌ３、第一吸着塔１から吸着材１ａを通過したガスを排出する第一抽気路Ｌ４、第二吸着塔２から吸着材２ａを通過したガスを排出する第二抽気路Ｌ５を備える。
【００４２】
前記供給路Ｌ１には、供給弁Ｖｓを備えるとともに、前記連絡路Ｌ２には連絡路弁ＶＲ１、前記排気路Ｌ３には、排気路弁ＶＲ２を設けてある。また、前記第一、第二抽気路Ｌ４，Ｌ５には、抽気弁（以下では順に第一、第二抽気弁と称する）Ｖ１，Ｖ２を設け、前記第一、第二抽気路Ｌ４，Ｌ５の合流部には、製品ガス回収弁ＶＲ３を設けてある。
【００４３】
これらの構成により、たとえば、下記実施の形態では、有機性廃棄物を嫌気性メタン発酵することにより得られたバイオガスを高圧水精製法でさらに精製して二酸化炭素を除去したガスを原ガスとして（メタン純度９８．５％）、前記メタン吸着材１ａ、２ａとして椰子殻活性炭を用いた場合に、収率９７．５％で、純度９９．４％の製品ガスを得ることができた。
【００４４】
尚、メタン吸着材１ａとしての椰子殻活性炭は、平均細孔径が０．４ｎｍ〜１．５ｎｍ、より好ましくは０．６ｎｍ〜１．２ｎｍであり、粒子径の分布が０．１ｍｍ〜６ｍｍ、より好ましくは０．２ｍｍ〜４ｍｍの範囲に実質的に含まれるものが好適に用いられる。
【００４５】
このメタン精製装置により、メタン精製を行う場合の具体例を以下に具体的に示す。
【００４６】
＜実施の形態１＞
上記メタン精製装置の具体的な仕様を以下に示す。
【００４７】
〔第一吸着塔〕
円筒形、ステンレス製
内径２０ｃｍ、長さ２２ｃｍ、内容積６８７０ｃｃ
メタン吸着材１ａの充填量は第一吸着塔１の容積の９０％とし、重量は３．５８ｋｇ
尚、吸着材充填層の中心部分には、多孔質管１ｂを挿入し、メタン吸着材１ａの充填層より下部および上部のガス空間のガスが多孔質管１ｂに自由に流入できるようにしてある。これにより多孔質管１ｂの表面よりガスが吸着材充填層内に拡散でき、メタン吸着材１ａの充填層内におけるガス吸着速度を高めている。
第一吸着塔１には第一圧力計Ｍ１が敷設されており、第一工程で第一圧力計Ｍ１が第一圧力になった時点で供給弁Ｖｓを閉止して原ガスの供給を停止する。
【００４８】
〔第二吸着塔〕
内径１５ｃｍ、長さ１３．６ｃｍ、内容積２４００ｃｃ
メタン吸着材２ａの充填量は第二吸着塔２の容積の９０％とし、重量は１．２５ｋｇ
第二吸着塔２には第二圧力計Ｍ２が敷設されており、第二工程では第二圧力計Ｍ２が第二圧力になった時点で連絡路弁ＶＲ１を閉止して非吸着ガスの供給を停止する。また第四工程では第二圧力計Ｍ２が第三圧力になった時点で排気路弁ＶＲ２を閉止する。
【００４９】
〔メタン吸着材〕
メタン吸着材１ａ、２ａはいずれも下記のものを用いる。
椰子殻活性炭、嵩密度０．５８ｇ／ｍｌ、平均細孔径約０．９ｎｍ、粒径分布０．２１ｍｍ〜３．３ｍｍ
【００５０】
上記メタン吸着材１ａ、２ａのメタン吸着性能は、図２のようになっている。ここで、第一、第二吸着塔１，２は、いずれも、内容積の９０％に前記メタン吸着材１ａ、２ａを充填してあり、２５℃において、前記メタン吸着材１ａ、２ａに吸着されるメタン量に加え、残余の空間に貯留されるメタンガス量も合わせた量をメタンガス吸着量として表している。
【００５１】
〔原ガス〕
メタン９８．５％、窒素１．５％（Ｃ１＝９８．５）
流量３０．６Ｌ／分
原ガス圧力 ０．９ＭＰａ（絶対圧力、以下同じ）
原ガスおよび吸着材の温度は２５℃
【００５２】
〔第一圧力〕
ゲージ圧力０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａ
【００５３】
〔製品回収圧力〕
大気圧（ゲージ圧力０ＭＰａ）または大気圧より低い圧力
【００５４】
第一圧力と製品回収圧力の差が大きいことは、少ないメタン吸着材１ａ量でより多くのメタンを吸着（すなわち脱着）できるので好ましく、第三工程および第五工程で、より多くのメタンを脱着できるので、相対的に不純物の割合が低下し、その結果精製ガスのメタン濃度をより高めることができるので好ましい。また第四工程で第二吸着塔２より排出させる排ガスのメタン濃度はより大きく低下しているので前記製品ガスとして利用できないメタンガス量をより低減できる。つまり原ガスに対するメタン収率をより高めることができる。
【００５５】
〔第一工程〕（第一吸着塔：昇圧工程）
図１（ａ）に示すように、連絡路弁ＶＲ１、第一抽気弁Ｖ１を閉成するとともに、供給弁Ｖｓを開成し、供給路Ｌ１から原ガスを供給する。
【００５６】
このとき第一吸着塔１の内圧は、所要時間約６分で、製品回収圧力Ｐ０＝０．１ＭＰａから第一圧力Ｐ１＝０．９０ＭＰａまで昇圧される。前記第一吸着塔１内の不純物濃度は７．３５％まで濃縮されている。
【００５７】
後述する第二工程の第二圧力の設定値は、前述のように、前記連絡路Ｌ２の中間に流量計（図示省略）を敷設して連絡路Ｌ２を介して第二吸着塔２に供給した流量を計量し、その計量値が、第一吸着塔１の内容積からメタン吸着材１ａの容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量になった時点で到達した圧力として求める。
【００５８】
本実施の形態では、第一吸着塔１の内容積からメタン吸着材１ａの容積を差引いた容積は下記の上限と下限の間の２．９３Ｌとした。この場合、第一吸着塔１の内容積からメタン吸着材１ａの容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量は、２．９３Ｌ×０．９ＭＰａ／０．１０１３ＭＰａ＝２６．０Ｌ（２５℃）であり、前記連絡路Ｌ２の中間に流量計を敷設して連絡路Ｌ２を介して第二吸着塔２に供給した流量を計量し、その計量値が２６．０Ｌ（２５℃）になった時点で到達した圧力、すなわち第二圧力は０．４１ＭＰａである。
【００５９】
また前記上限は、メタン吸着材１ａを充填した真空状態の第一吸着塔１に水素ガスを大気圧になるまで充填した時の大気圧における水素の容積として求められ、本実施の形態の場合、５．０８Ｌであり、前記下限は、メタン吸着材を充填した真空状態の第一吸着塔に水銀を大気圧になるまで充填した時の大気圧における水銀の容積として求められ、本実施の形態の場合、２，３９Ｌである。
【００６０】
また、製品回収圧力はＰ０＝０．１ＭＰａとし、製品ガスの目標純度を９９．４％に設定する。
【００６１】
〔第二工程〕（第一吸着塔：排気工程、第二吸着塔：給気工程）
図１（ｂ）に示すように、供給弁Ｖｓ、排気路弁ＶＲ２、第一、第二抽気弁Ｖ２を閉成するとともに、連絡路弁ＶＲ１を開成し、連絡路Ｌ２を通じて前記第一吸着塔１内のガスを第二吸着塔２に送る。
【００６２】
このとき前記第二吸着塔２の内圧が、所要時間約２分で、製品回収圧力Ｐ０＝０．１ＭＰａから第二圧力Ｐ２＝０．４１ＭＰａまで昇圧される。同時に第一吸着塔１の内部圧力は第一圧力Ｐ１＝０．９０ＭＰａからやや低いＰ４＝約０．８９ＭＰａまで減圧される。ここで、第二吸着塔２内の不純物濃度は、２９．３％まで濃縮されている。
【００６３】
〔第三工程〕（第一吸着塔：回収工程）
図１（ｃ）に示すように、供給弁Ｖｓ、連絡路弁ＶＲ１、第二抽気弁Ｖ２を閉成するとともに、第一抽気弁Ｖ１、製品ガス回収弁ＶＲ３を開成し、第一抽気路Ｌ４を介して前記第一吸着塔１内の吸着ガスを脱着させて製品ガスを回収する。
【００６４】
このとき、前記製品ガス回収弁ＶＲ３の圧力設定は、製品回収圧力Ｐ０＝０．１ＭＰａに設定されて、前記第一吸着塔１の内圧が、所要時間約４分で、第一圧力よりやや低い圧力Ｐ４＝約０．８９ＭＰａから製品回収圧力Ｐ０＝０．１ＭＰａにまで減圧される。
【００６５】
〔第四工程〕（第二吸着塔：排気工程）
図１（ｄ）に示すように、連絡路弁ＶＲ１、第二抽気弁Ｖ２を閉成した状態で、排気路弁ＶＲ２を開成し、排気路Ｌ３を介して、前記第二吸着塔２から第二吸着塔２内の非吸着ガスを排気する。
【００６６】
この第三圧力の設定値は、前述のように、前記排気路Ｌ３の中間に流量計（図示省略）を敷設して排気路Ｌ３を介して取出した流量を計量し、その計量値が、第二吸着塔の内容積からメタン吸着材２ａの容積を差引いた容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量になった時点で到達した圧力として求める。
【００６７】
本実施の形態では、第二吸着塔２の内容積からメタン吸着材２ａの容積を差引いた容積は下記の上限と下限の間の１．５３Ｌとした。この場合、第二吸着塔２の内容積からメタン吸着材２ａの容積を差引いた容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量は、
１．５３Ｌ×０．４１ＭＰａ／０．１０１３ＭＰａ＝６．１４Ｌ（２５℃）であり、前記排気路Ｌ３の中間に流量計を敷設して排気路を介して取出した流量を計量し、その計量値が６．１４Ｌ（２５℃）になった時点で到達した圧力、すなわち第三圧力Ｐ３は０．２０ＭＰａである。
【００６８】
また前記上限は、メタン吸着材２ａを充填した真空状態の第二吸着塔２に水素ガスを大気圧になるまで充填した時の大気圧における水素の容積として求められ、本実施の形態の場合、１．７８Ｌであり、前記下限は、メタン吸着材２ａを充填した真空状態の第二吸着塔２に水銀を大気圧になるまで充填した時の大気圧における水銀の容積として求められ、本実施の形態の場合、０．８３５Ｌである。
【００６９】
このとき、前記第二吸着塔２の内圧が所要時間約１分で、第二圧力Ｐ２＝０．４１ＭＰａから第三圧力Ｐ３＝０．２０ＭＰａに低下する。ここで前記第二吸着塔２から排気されたガス量は６．１４Ｌ（２５℃、大気圧）であり、そのガス中のメタンガス濃度は７３．３％である。
【００７０】
〔第五工程〕（第二吸着塔：回収工程）
図１（ｅ）に示すように、連絡路弁ＶＲ１、排気路弁ＶＲ２、第一抽気弁Ｖ１を閉成し、前記第二抽気弁Ｖ２および製品回収弁ＶＲ３を開成し、前記第二抽気路Ｌ５から前記第二吸着塔２内の吸着ガスを脱着させて、製品ガスを回収する。
【００７１】
このとき、前記前記製品ガス回収弁ＶＲ３の圧力設定は、製品回収圧力Ｐ０＝０．１ＭＰａに設定されて、前記第二吸着塔２の内圧が、所要時間約３分で、第三圧力Ｐ３＝０．２０ＭＰａから製品回収圧力Ｐ０＝０．１ＭＰａにまで減圧される。
【００７２】
以下、上記第一〜第五工程を繰り返すことにより製品ガスが得られる。得られたメタンガス純度は９９．４％であり、このときの原ガス中のメタンに対する製品ガス中のメタンの収率Ｙは、
Ｙ＝１００−（ｙ１×ｙ２÷１００）÷（ｙ３×ｙ４÷１００）×１００
ｙ１ 工程５で第二吸着塔２から排気したガス量＝６．１４Ｌ
ｙ２ 工程５で第二吸着塔２から排気させるガスのメタン濃度＝７３．３％
ｙ３ 工程１で第一吸着塔１に供給したガス量＝１８３．６Ｌ（＝３０．６Ｌ／分×６分）
ｙ４ 原ガスのメタン濃度＝９８．５％
より、９７．５％である。
【００７３】
＜実施の形態２＞
また、上述の各工程は、たとえば第三工程と、第四工程とを重複して行うことができ、また、第三工程と第五工程とを同時に行うことができるなど、タイムサイクルを効率化することができる。つまり、たとえば、各弁の開閉により、図１（ｃ）〜（ｅ）の工程を、図３（ｆ）、（ｇ）に示すように変更することができる。これにより、互いに干渉しない配管を有効利用し、第一吸着塔１における第三工程と第二吸着塔２における第四、第五工程とを同時に行うことによって、図４に示すようにタイムサイクルを効率化することができ、第一、第二吸着塔１，２の使用効率を高め、メタン精製効率を向上させることができる。尚、上述の例において、第三工程の終了よりも第五工程の終了が遅い場合には、第一工程（第一吸着塔１の昇圧工程）と、第五工程（第二吸着塔２の回収工程）を重複して行うことも可能である。
【００７４】
＜別実施の形態＞
上述の実施の形態で各弁の動作圧力に対応する開閉タイミングを見出すことができ、各工程において、各弁を圧力設定に基づいて開閉制御するのに代えて、所要時間に応じて開閉制御するように変更することもできる。この場合、第二工程で設定した第二圧力および第四工程で設定した第三圧力が得られる時間をそれぞれ事前に計測し、その結果を第二工程および第四工程の時間に設定することで、製品ガスの高い純度と高い収率を達成することができる。
【００７５】
さらに、上述の実施の形態では、第一、第二吸着塔１，２を１対用いてメタン精製を行ったが、２対以上用いてメタン精製を行うこともできる。即ち、たとえば、図５のように、構成することができる。
【００７６】
図５においては、第一、第二吸着塔１，２に加えて、第三、第四吸着塔１１，１２を設け、前記第一、第二吸着塔１，２における、第一吸着塔１、メタン吸着材１ａ、第二吸着塔２、メタン吸着材２ａ、供給路Ｌ１、連絡路Ｌ２、排気路Ｌ３、第一抽気路Ｌ４、第二抽気路Ｌ５、供給弁Ｖｓ、連絡路弁ＶＲ１、排気路弁ＶＲ２、第一、第二抽気弁Ｖ１，Ｖ２、製品ガス回収弁ＶＲ３、第一、第二圧力計Ｍ１，Ｍ２に代えて、第三吸着塔１１、メタン吸着材１１ａ、第四吸着塔１２、メタン吸着材１２ａ、供給路Ｌ１１、連絡路Ｌ１２、排気路Ｌ１３、第一抽気路Ｌ１４、第二抽気路Ｌ１５、供給弁Ｖ１ｓ、連絡路弁ＶＲ１１、排気路弁ＶＲ１２、第一、第二抽気弁Ｖ１１，Ｖ１２、製品ガス回収弁ＶＲ１３、第三、第四圧力計Ｍ１１，Ｍ１２を設けた構成としてある。
【００７７】
この構成によると、たとえば、図６に示すように、各工程を行うことができる。第三、第四吸着塔の動作は省略するが、第一、第二吸着塔の動作に準じるものとする。
【００７８】
これにより、第一、第三吸着塔への給気、昇圧を交互に連続的に行うことができるので、先の実施の形態に比べて、メタン精製装置の運転効率をより高く設定することができる。
【００７９】
＜比較例＞
実施の形態１に対して、第二吸着塔を第一吸着塔と同じ仕様とする。つまり２つの吸着塔の容積は同じとする。それ以外の仕様は実施の形態１と同じとする。
この場合、製品のメタンガスの純度を実施の形態１と同じ９９．４％にするためのメタンの収率は９５．４％に低下してしまう。つまり第五工程で排ガスとして取出されたメタンの量は、実施の形態１の２．５％（＝１００％−９７．５％）に対して４．６％と大幅に増大する。これは、第二吸着塔の容量が大きいため第二吸着塔の不純物の濃度が低下してしまい、その結果、製品ガスのメタン濃度を達成するために取出す排ガス量が増大するためである。
【符号の説明】
【００８０】
１ 第一吸着塔
１ａ メタン吸着材
２ 第二吸着塔
２ａ メタン吸着材
Ｌ１ 供給路
Ｌ２ 連絡路
Ｌ３ 排気路
Ｌ４ 第一抽気路
Ｌ５ 第二抽気路
Ｖｓ 供給弁
ＶＲ１ 連絡路弁
ＶＲ２ 排気路弁
Ｖ１ 第一抽気弁
Ｖ２ 第二抽気弁
ＶＲ３ 製品ガス回収弁
Ｍ１ 第一圧力計
Ｍ２ 第二圧力計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン吸着材を充填した第一吸着塔および前記第一吸着塔よりも小容量の第二吸着塔を備えるとともに、第一、第二吸着塔を直列に接続する連絡路、第一吸着塔に原ガスを供給する供給路、第一吸着塔から吸着材を通過したガスを排出する第一抽気路、第二吸着塔から吸着材を通過したガスを排出する第二抽気路、前記第二吸着塔からの排気路を備えたメタン吸着部を有するメタン精製装置により、メタンを主成分とする原ガスを、メタン吸着剤にメタンを吸着させて、吸着しなかった不純物を分離するメタン精製方法であって、
原ガスを、連絡路を閉止した状態で前記第一吸着塔内が第一圧力になるまで前記供給路から供給する第一工程を行い、
前記供給路からの原ガスの供給を止め、前記第一吸着塔で吸着しなかった非吸着ガスを、前記第二吸着塔内の圧力が第一吸着塔内と圧力差を有する第二圧力になるまで、前記連絡路を介して第二吸着塔に供給する第二工程を行い、
前記第一吸着塔の吸着剤に吸着したガスを、製品回収圧力にて前記第一抽気路を介して取出す第三工程、
前記連絡路を介した前記第一吸着塔からの非吸着ガスの供給を止め、前記第二吸着塔で吸着しなかった排ガスを、前記第二吸着塔内の圧力が製品回収圧力よりも高い第三圧力になるまで、前記排気路を介して取出す第四工程、
前記第四工程を行った後に、前記第二吸着塔の吸着剤に吸着したガスを、製品回収圧力にて前記第二抽気路を介して取出す第五工程を行うメタン精製方法。
【請求項２】
請求項１において、第二圧力が、第一吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、連絡路を介して第二吸着塔に供給した時点で到達する圧力であり、第三圧力が、第二吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、排気路を介して取出した時点で到達する圧力であることを特徴とするメタン精製方法。
【請求項１】
メタン吸着材を充填した第一吸着塔および前記第一吸着塔よりも小容量の第二吸着塔を備えるとともに、第一、第二吸着塔を直列に接続する連絡路、第一吸着塔に原ガスを供給する供給路、第一吸着塔から吸着材を通過したガスを排出する第一抽気路、第二吸着塔から吸着材を通過したガスを排出する第二抽気路、前記第二吸着塔からの排気路を備えたメタン吸着部を有するメタン精製装置により、メタンを主成分とする原ガスを、メタン吸着剤にメタンを吸着させて、吸着しなかった不純物を分離するメタン精製方法であって、
原ガスを、連絡路を閉止した状態で前記第一吸着塔内が第一圧力になるまで前記供給路から供給する第一工程を行い、
前記供給路からの原ガスの供給を止め、前記第一吸着塔で吸着しなかった非吸着ガスを、前記第二吸着塔内の圧力が第一吸着塔内と圧力差を有する第二圧力になるまで、前記連絡路を介して第二吸着塔に供給する第二工程を行い、
前記第一吸着塔の吸着剤に吸着したガスを、製品回収圧力にて前記第一抽気路を介して取出す第三工程、
前記連絡路を介した前記第一吸着塔からの非吸着ガスの供給を止め、前記第二吸着塔で吸着しなかった排ガスを、前記第二吸着塔内の圧力が製品回収圧力よりも高い第三圧力になるまで、前記排気路を介して取出す第四工程、
前記第四工程を行った後に、前記第二吸着塔の吸着剤に吸着したガスを、製品回収圧力にて前記第二抽気路を介して取出す第五工程を行うメタン精製方法。
【請求項２】
請求項１において、第二圧力が、第一吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第一圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、連絡路を介して第二吸着塔に供給した時点で到達する圧力であり、第三圧力が、第二吸着塔の内容積からメタン吸着材の容積を差引いた容積と第二圧力の大気圧に対する倍率との積に相当する量のガスを、排気路を介して取出した時点で到達する圧力であることを特徴とするメタン精製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１７３８０７（Ｐ２０１１−１７３８０７Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３７４５８（Ｐ２０１０−３７４５８）
【出願日】平成２２年２月２３日（２０１０．２．２３）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２３日（２０１０．２．２３）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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