混合ガス供給装置、発熱量調整装置及びその変動調整方法

【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】初期設定段階では切替弁Ｖａ開、Ｖｂ閉に設定されている。燃料ガスの組成比、及び充填塔周辺の環境温度が計測される。次いでこれらの計測値及び判定テーブルに基づいて充填塔通過後の発熱量変動幅ΔＨa、ΔＨｂが演算され、さらにΔＨａとΔＨｂとが比較される。ΔＨａの方が小さいときは切替弁Ｖａ開となり充填塔２ａを通過するようにする。ΔＨａ＞ΔＨｂのときはＶｂ開、Ｖａ閉に設定され、混合ガスは充填塔２ｂを通過するように設定される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合ガス供給装置、発熱量調整装置及びその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、発熱量調整装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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問題となる場合があり、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、発熱量を抑制する技術が提案されている（例えば特許文献２）。図７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抑制する。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１０９４７６号公報
【特許文献２】特開２００５-２７３７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に吸着材の吸着量は高温下で低下し、低温下で増加することが知られている。しかしながら、吸着材を用いた発熱量変動調整方法に関しては、冬期に充填塔内を設定温度（３５℃）に加熱して安定的に天然ガスを供給する技術が、特許文献２に開示されているものの、実用上想定される環境温度範囲に亘る発熱量調整方法の開示はない。このことは組成変動抑制技術についても同様である。
温度のほかにも、一般に吸着材の吸着量は吸着するガスの種類によって異なる。例えば、プロパンとブタンでは高沸点であるブタンがより吸着される。しかしながら、吸着材を用いた発熱量調整方法に関しては、発熱量の変動はプロパンやブタンの増加によるものとされている（特許文献２）が、変動時の具体的な組成比が示されておらず、実用上想定される変動時の組成比の範囲に亘る方法の開示はない。このことは組成変動抑制技術についても同様である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、実用上想定される広い温度及び混合ガス組成比の範囲で、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、成分の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、供給ライン経路中に複数の複数の分岐配管を備えた並列配管部と、各分岐配管経路中に配置され、それぞれ吸着特性の異なる吸着材を充填した複数の充填塔と、充填塔出口における組成変動量を最小にする充填塔を選択する最適充填塔選択手段と、混合ガス流路を、選択した最適充填塔側に、適宜、切り替える流路切替手段と、を備えて成ることを特徴とする混合ガス供給装置である。
【０００７】
本発明において「組成変動量」とは、混合ガス中のある一成分に注目したときに、その成分の濃度が、本来供給されるべき濃度から一時的に変化した量のことである。つまり、必ずしも混合ガス中の全成分の組成変動量に限らず、制御目的対象の変動に着目した変動量であってもよい。
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。
また、本発明に用いる「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。
【０００８】
上記発明において、最適充填塔選択手段として、吸着材ごとの、混合ガスの組成比及び環境温度の組み合わせに対する組成変動量の違いを用いる手段とすることができる（請求項２）。

【０００９】
本発明により、任意の組成比及び環境温度の組み合わせに対応して、最適充填塔を選定することができる。なお、発熱量変動幅は、予め用いる吸着材ごとに各条件における吸着特性を得ることにより求めることができる。
【００１０】
請求項３の発明は、成分の発熱量が経時的に変動する燃料ガスを供給する供給ラインと、
供給ライン経路中に複数の複数の分岐配管を備えた並列配管部と、各分岐配管経路中に配置され、それぞれ吸着特性の異なる吸着材を充填した複数の充填塔と、吸着材ごとの、燃料ガスの組成比及び環境温度の組み合わせに対する組成変動量の違いを用いて、充填塔出口における発熱量変動量を最小にする充填塔を選択する最適充填塔選択手段と、燃料ガス流路を、選択した最適充填塔側に、適宜、切り替える流路切替手段と、を備えて成ることを特徴とする燃料ガスの発熱量調整装置である。
上記発明において、「燃料ガス」として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４）。
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、メタンを主成分とする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。
【００１１】
【数１】

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、本発明において燃料ガス供給装置通過後の混合ガスのＷＩ及びＭＣＰを、例えば１３Ａ都市ガスの範囲とするように、適宜、充填塔を切り替えることにより、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。
【００１２】
請求項５の発明は、上記混合ガス供給装置において、混合ガスの組成変動に対応して、組成変動幅を最小にする充填塔に、適宜、流路を切り替えることを特徴とする組成変動抑制方法である。
請求項６の発明は、上記各発熱量調整装置において、燃料ガスの発熱量変動に対応して、発熱量変動幅を最小にする充填塔に、適宜、流路を切り替えることを特徴とする発熱量変動抑制方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、広い環境温度や変動時のガスの組成比範囲において、組成変動を最小限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を用いる発明にあっては、供給元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、広い環境温度や変動時のガスの組成比の範囲で、発熱量変動を最小限に抑制して需要家に供給することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について、図１乃至３を参照してさらに詳細に説明する。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。
本実施形態は、「混合ガス」として組成が経時的に変動する燃料ガス（ＬＮＧ原料）を用いて、発熱量変動調整を図るものである。
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４と、気化器３と、分岐配管Ｌ３、Ｌ４の経路中に並列に配置された２基の吸着材充填塔２ａ、２ｂと、供給ライン末端側に負荷装置５（例えばガスエンジン）を備えている。ＬＮＧ貯槽４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。各装置間は配管Ｌ１乃至Ｌ５により接続されている。充填塔２ａ内には吸着材Ｘａが、充填塔２ａ内には吸着材Ｘｂが、それぞれ充填されている。吸着材Ｘａ、Ｘｂは、後述するように異なる吸着特性を有している。分岐配管Ｌ３、Ｌ４の充填塔上流側には、それぞれ切替弁Ｖａ、Ｖｂが配設されている。配管Ｌ２経路中にはガス組成計測部６が配設されており、通過する混合ガスの組成を計測するように構成されている。さらに、充填塔内部には温度センサＳａ、Ｓｂが配設されており、吸着材の環境温度を計測するように構成されている。
【００１５】
さらに、燃料ガス供給装置１は発熱量調整制御を行う制御部７を備えている。制御部７は、混合ガス組成及び環境温度の組み合わせ（以下、供給条件という）に対する吸着材Ｘａ、Ｘｂ通過後の発熱量変動幅に基づいて、いずれの充填塔を通過すると変動幅が最小になるかを選択するための演算テーブルを備えている。これにより、ガス組成計測装置６及び温度センサＳａ、Ｓｂからの計測値に基づいて、最適充填塔を選択するように構成されている。
次に、上述の最適充填塔選択のための演算テーブルの内容について説明する。前提として、供給される燃料ガスが表１の組成をベースに、変動時に任意の組成のプロパンとブタンの混合ガスを添加しているものとする。
【表１】

【００１６】
図２は、演算テーブルを概念的に示す図である。すなわち、演算テーブルとして、変動成分中のプロパン濃度ｒをパラメータとして、吸着材Ｘａ、Ｘｂについて発熱量変動幅ΔＨの温度依存性をプロットしたデータを用いる。なお、発熱量変動幅ΔＨは、ΔＨ＝（Ｈｍax−Ｈmin）／２、すなわち発熱量最大値Ｈｍaxと最小値Ｈminの差の１/２で表される物理量である。
同図において、充填塔通過後のΔＨの値が小さいほど、発熱量変動抑制性能が高いことを表す。例えば、環境温度＝Ｔ１、ｒ＝０．６のときの発熱量変動幅は、吸着材ＸａについてはΔＨａ、吸着材ＸｂについてはΔＨｂである。従って、ΔＨａとΔＨｂとを比較して、いずれか小さい値である吸着材充填塔が最適充填塔ということになる。
制御部７は、ガス組成計測装置６及び温度センサＳａ、Ｓｂからの計測値に基づき、上記演算テーブルを用いて最適充填塔を選択するように構成されている。
【００１７】
次に、図３をも参照して、本実施形態における発熱量調整制御フローについて説明する。初期設定段階では切替弁Ｖａ開、Ｖｂ閉に設定されている（Ｓ１０１）。燃料ガスの組成比、及び充填塔周辺の環境温度が計測される（Ｓ１０２）。次いで、計測値及び上述の演算テーブルに基づいて、充填塔通過後の発熱量変動幅が演算され（Ｓ１０３）、さらにΔＨａとΔＨｂとが比較される（Ｓ１０４）。ΔＨａの方が小さいときは切替弁Ｖａ開となり充填塔２ａを通過するようにする（Ｓ１０５）。ΔＨａ＞ΔＨｂのときはＶｂ開、Ｖａ閉に設定され、混合ガスは充填塔２ｂを通過するように設定される（Ｓ１０６）。
以上の制御を所定のインターバルで行うことにより、負荷装置に発熱量変動を抑制した燃料ガスが供給される。
【００１８】
また、本実施形態では２基の吸着材充填塔を並列に配置する形態を示したが、３基以上の充填塔を並列に配置し、それぞれ異なる吸着材を充填する形態とすることもできる。
【実施例】
【００１９】
本発明による発熱量変動抑制効果を確認するため、以下の試験を行った。
（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、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の物性を表２に、細孔径分布（窒素吸着ＤＦＴ法による）を図４に示す。また、活性炭Ａ、Ｂのメタン、プロパンに対する圧力−吸着量特性を図５に示す。
【００２０】
【表２】

【００２１】
（試験ガス）
表３に示す３種類の試験ガスを用いた。同図において、例えば試験ガス２は、２分間ＬＮＧ気化ガス１００％を流し、その後１分間、このガスに添加用ガス（プロパン：ブタン≒１：１）を添加するサイクルを繰り返すことにより、周期的に組成（発熱量）が変動するガスである。なお、ＬＮＧ気化ガスの組成は、CH4：90.8%、C2H6：5.0%、C3H8：3.0%、i-C4H10：0.6%、n-C4H10：0.6%である。同表右欄は、各試験ガスの容器入側における発熱量最大値、最小値及び発熱量変動幅ΔＨ_０である。
【００２２】
【表３】

【００２３】
（試験装置及び試験方法）
充填容器（内容積合計３０ｃｃ）に石炭原料活性炭又はヤシガラ原料活性炭を充填し、容器温度を２℃、２５℃、４０℃、６０℃、８０℃の各条件に保持した状態で、上記組成の供試ガスを空塔速度２０００ｈ^-１にて充填容器に流入した。この間、容器前後のガス発熱量を熱量計（Advantica社製、製品名：GasPT）で測定し、各温度条件について変動幅ΔＨを求めた。
【００２４】
（測定結果）
図６は、試験ガス１について、石炭原料活性炭及びヤシガラ原料活性炭の変動幅ΔＨの温度依存性を比較した図である。同図より、約４０℃以下では石炭原料活性炭のほうが変動幅が小さい（抑制性能が高い）が、この温度を超えると逆転することが分かる。
図７は、試験ガス２について同様の比較を示す図である。この場合は、約２０℃が抑制性能の高い材料が変わる温度となる。さらに図８は、試験ガス３についての同様の比較を示す図である。この場合は、大部分の温度範囲で石炭原料活性炭の方が変動幅が小さいことが分かる。
測定結果に基づいて、添加ガスの組成比と環境温度をマトリックスとして、各条件において変動幅が小さい活性炭を選択すると表４の通りとなる。表４を、上述の「充填塔判定テーブル」として用いることも可能である。
なお、本実施例では添加ガスの組成比を３段階、温度を５段階とした測定を行ったが、それぞれの要素をさらに細分化した測定データを得ることにより、より高精度の選択が可能となる。
【００２５】
【表４】

【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、燃料ガスの発熱量変動抑制に限らず、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抑制に広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一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。
【図２】充填塔出口における発熱量変動幅演算テーブルを概念的に示す図である。
【図３】燃料ガス供給装置１における発熱量調整制御フローを示す図である。
【図４】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。
【図５】活性炭Ａ、Ｂのメタン、プロパンに対する圧力−吸着量特性を示す図である。
【図６】試験ガス１についての、石炭原料活性炭及びヤシガラ原料活性炭の充填塔出口における変動幅の温度依存性を比較した図である。
【図７】試験ガス２についての、石炭原料活性炭及びヤシガラ原料活性炭の充填塔出口における変動幅の温度依存性を比較した図である。
【図８】試験ガス３についての、石炭原料活性炭及びヤシガラ原料活性炭の充填塔出口における変動幅の温度依存性を比較した図である。
【図９】従来の発熱量調整装置１００の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１・・・・燃料ガス供給装置
２ａ、２ｂ・・・・充填塔
３・・・・気化器
４・・・・ＬＮＧ貯槽
５・・・・負荷装置
６・・・・ガス組成計測部
７・・・・制御部
Ｌ１〜Ｌ５・・・・配管
Ｓａ、Ｓｂ・・・・温度センサ
Ｖａ、Ｖｂ・・・・切替弁
Ｘａ、Ｘｂ・・・・吸着材

【特許請求の範囲】
【請求項１】
成分の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、
供給ライン経路中に複数の複数の分岐配管を備えた並列配管部と、
各分岐配管経路中に配置され、それぞれ吸着特性の異なる吸着材を充填した複数の充填塔と、
充填塔出口における組成変動量を最小にする充填塔を選択する最適充填塔選択手段と、
混合ガス流路を、選択した最適充填塔側に、適宜、切り替える流路切替手段と、
を備えて成ることを特徴とする混合ガス供給装置。
【請求項２】
前記最適充填塔選択手段が、吸着材ごとの、混合ガスの組成比及び環境温度の組み合わせに対する組成変動量の違いを用いる手段であ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。
【請求項３】
成分の発熱量が経時的に変動する燃料ガスを供給する供給ラインと、
供給ライン経路中に複数の複数の分岐配管を備えた並列配管部と、
各分岐配管経路中に配置され、それぞれ吸着特性の異なる吸着材を充填した複数の充填塔と、
吸着材ごとの、燃料ガスの組成比及び環境温度の組み合わせに対する組成変動量の違いを用いて、充填塔出口における発熱量変動量を最小にする充填塔を選択する最適充填塔選択手段と、
燃料ガス流路を、選択した最適充填塔側に、適宜、切り替える流路切替手段と、
を備えて成ることを特徴とする燃料ガスの発熱量調整装置。
【請求項４】
前記燃料ガスが、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３に記載の発熱量調整装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の混合ガス供給装置において、
混合ガスの組成変動に対応して、組成変動幅を最小にする充填塔に、適宜、流路を切り替えることを特徴とする組成変動調整方法。
【請求項６】
請求項３又は４に記載の発熱量調整装置において、
燃料ガスの発熱量変動に対応して、発熱量変動幅を最小にする充填塔に、適宜、流路を切り替えることを特徴とする発熱量変動調整方法。

【図１】