混合ガス供給装置及び混合ガス供給装置における組成変動調整方法

【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】ガス取出部の取り付け位置（Ｘ）は、吸着塔有効部全長（Ｌ）に対して、Ｌ／２＜Ｘ＜Ｌとなるように設定される。この位置に設定することにより、ガス出口からのガスと取出部Ｘからのガスとの間に組成変動の位相にずれが生じる。従って、吸着塔下流側で両ガスを混合することにより、変動がキャンセルされて、組成変動のさらなる抑制が可能となる。特に、Ｘ＝０．７５近傍で組成変動抑制効果が最大となることが実証された。

【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及びその組成変動調整方法に関する。
【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。
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組成変動（発熱量変動）が問題となる場合がある。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提案されているが、なかでも有用な技術として、吸着材を用いた発熱量調整方法およびシステムが開示されている（例えば、特許文献１乃至３）。
【０００３】
出願人らは、より高度の組成変動安定化技術として、組成変動の位相に着目した技術を提案している。すなわち、特許文献４では、吸脱着特性の異なる２種類以上の吸着材を用いた発明を、特許文献５では、一以上の分岐配管を設けて変動の位相を重ね合わせる発明である。さらに、特許文献６は、吸脱着特性の異なる吸着材を充填した複数の吸着塔を配置し、ガス組成や温度に応じて最適な吸着塔を選択することにより、組成変動を抑制するものである。
【０００４】
図１２は、特許文献５による燃焼ガス供給装置１００の構成を示し、ＬＮＧ貯槽１０１内のＬＮＧは気化器１０２でガス化され、分岐配管１０５ａ、１０６ａ経路中に並列に設けられた吸着塔１０３、１０４に導かれる。各分岐配管経路中には、バルブ１０９、１１０が配設されている。ガスは、吸着塔内において吸着材の作用により発熱量変動が抑制され、吸着塔通過後に配管１０５ｂ，１０６ｂを経由し、さらに合流後に燃料ガスとして供給される。ここに、配管１０５ｂ側の延長は配管１０６ｂ側より長く構成されており、さらに、配管１０５ｂには複数の流出口１０７が設けられていて、配管延長を可変としている。
燃焼ガス供給装置１００は、熱量計１０８の計測値に基づいてバルブ１０９、１１０の開度調節による流量比調整、配管１０５ｂの配管延長調整を組み合わせて行い、発熱量変動の抑制を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３３１９４８号公報
【特許文献２】特開２００５−２７３７５３号公報
【特許文献３】特開２００５−３０５２１８号公報
【特許文献４】特開２００８−２０１８９０号公報
【特許文献５】特開２００８−２１４５６５号公報
【特許文献６】特開２００８−２３１３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献４乃至６によれば、従来の技術と比較してより高度の組成変動抑制が可能となる。しかしながら特許文献４の技術によれば、２種類以上の吸着特性の異なる吸着材を必要とし、また、特許文献５，６の技術は複数の吸着塔を要し、装置構成が複雑かつ大型化する。このため、より簡易な構成、かつ単一吸着材を用いた組成変動抑制技術を提供することが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためのものであって、単一吸着材、かつ、吸着塔１基による混合ガス供給装置により、吸着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、本発明に係る混合ガス供給装置は、
（１）ガス組成が時間経過とともに変動する混合ガスの供給ライン経路中に吸着材を充填した吸着塔を備えた混合ガス供給装置であって、該吸着塔は、供給ラインの上流側配管と接続するガス入口部と、供給ラインの下流側配管（メイン配管）と接続するガス出口部と、ガス入口部とガス出口部の中間より下流側の位置にガス取出部と、を備え、該吸着塔の下流側には、ガス取出部と下流側配管の合流点とを結ぶバイパス配管と、下流側配管の合流点までの経路中に、下流側配管及びバイパス配管を通過する混合ガスの流量比を調整して、合流後の混合ガスの組成変動幅を制御可能とする流量比制御手段と、を備えて成ることを特徴とする。
【０００８】
本来、吸着材充填量によりガス組成変動幅の抑制量は定まるが、本発明によれば吸着塔出口位置によりガス組成変動の位相差が異なることを利用して、上記限度を超えた変動幅抑制が可能となる。ここに「位相」とは、周期的あるいは非周期的な組成変動が起きたときに、下流側にその結果が現れるまでの時間及びタイミングを意味する概念である。さらに「位相差」とは、位相のずれを意味する概念である。
図１は、本発明の構成を模式的に示した図である。ガス取出部の取り付け位置（Ｘ）は、吸着塔有効部全長（Ｌ）に対して、Ｌ／２＜Ｘ＜Ｌとなるように設定される。この位置に設定することにより、ガス出口からのガスと取出部Ｘからのガスとの間に組成変動の位相にずれが生じる。従って、吸着塔下流側で両ガスを混合することにより、変動がキャンセルされて、組成変動のさらなる抑制が可能となる。
【０００９】
本発明において、「ガス組成の変動」は周期的な変動に限定されず、非周期的変動をも含み、また連続的な変動のみならず、単発的な変動も含む。
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。
【００１０】
（２）上記発明において、ガス取出部を、前記吸着塔の有効長さ（Ｌ）に対して、０．６Ｌ以上、かつ、１．０Ｌ未満の位置に設けることができる。
（３）より好ましくは、ガス取出部を、前記吸着塔有効長さ（Ｌ）に対して、０．７５Ｌ近傍の位置に設けることができる。
後述するように、Ｘ＝０．７５近傍で組成変動抑制効果が最大となることが実証されている。
（４）上記各発明において、下流側配管又は前記バイパス配管の、少なくとも一方の経路中に組成変動位相差発生手段を、さらに備えて成ることを特徴とする。
両配管を通過するガスの組成変動の位相に差が生じることにより、合流後のガスの組成変動抑制をさらに促進することができる。
「位相差発生手段」としては、配管流路差、圧力差等を用いることができる。
（５）上記（４）において、位相差発生手段として、前記下流側配管又は前記バイパス配管の配管長を延長する手段を用いることができる。
いずれか一方の配管延長を長くすることにより、当該配管を通過する混合ガスの位相に遅れを生じさせることができる。
（６）上記各発明において、「混合ガス」として燃料ガスを用いることができ、
（７）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。
【００１１】
本発明に係る混合ガス供給装置の組成変動制御方法は、
（８）上記混合ガス供給装置において、流量比制御手段により流量比を調整することにより、合流後の混合ガスの組成変動を所望の範囲内に制御することを特徴とする。
（９）ガス組成が時間経過とともに変化する燃料ガス又は都市ガスを、前記流量比制御手段により流量比を調整することにより、合流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することを特徴とする。
また、本発明に係る発熱量調整装置は、
（１０）上記（６）又は（７）に記載の混合ガス供給装置であって、さらに吸着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。
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ＷＩはウオッベ指数、ＭＣＰは燃焼速度指数であり、その具体的数値等、詳細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、本発明による発熱量調整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。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、単一吸着材、かつ単一吸着塔を用いるのみで、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、発熱量変動を一定範囲に抑制して需要家に供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の構成を模式的に示す図である。
【図２】試験に用いた吸着材である活性炭の細孔径分布を示す図である。
【図３】同上活性炭のメタン、プロパンに対する圧力−吸着量特性を示す図である。
【図４】実施例１の試験装置１の概要を示す図である。
【図５】実施例１における流量比８０：２０のときの発熱量変動時間推移を示す図である。
【図６】図５の部分拡大図である。
【図７】実施例１における流量比６２：３８のときの発熱量変動時間推移を示す図である。
【図８】図７の部分拡大図である。
【図９】実施例１における取出口位置と変動幅、位相の時間差の関係を示す図である。
【図１０】実施例２の試験装置２０の概要を示す図である。
【図１１】実施例２において、流路差有無による発熱量変動幅の違いを示す図である。
【図１２】従来の発熱量調整装置１００の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明による組成変動抑制効果を確認するため、試験ガスとして周期的に組成（発熱量）が変動する燃焼ガスを用いた試験の内容について説明する。
【実施例１】
【００１５】
（供試吸着材）
吸着材として石炭原料活性炭を用いた。活性炭の物性を表１に、細孔径分布（窒素吸着ＤＦＴ法による）を図２に示す。また、活性炭のメタン、プロパンに対する圧力−吸着量特性を図３に示す。
【００１６】
【表１】

（試験ガス）
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）が変動するガスを調製した。試験ガスの発熱量変動は、４４．５〜５１．０（ＭＪ/ｍ３）であり、ΔＨ＝３．２５（ＭＪ/ｍ３）であった。ここに、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であり、発熱量変動幅比較の指標となる数値である。
【００１７】
（試験装置）
図４に示すように、試験装置１は横置きした容器２（内容積３０ｃｃ）に吸着材１２ｇを充填して吸着塔として用いた。容器２には、ガス入口１０、ガス出口１１に加え、側面にガス取出口Ａ，Ｂ，Ｃが設けてある。ガス取出口Ａ，Ｂ，Ｃは容器全長（Ｌ）として、ガス入口１０からそれぞれＬ／４、Ｌ／２、３Ｌ／４の位置に設定されている。
以下、取出口Ｃに接続する場合を例にとると、出口１１を出てメイン配管４を通過するガスと、取出口Ｃを出てバイパス配管５を通過するガスとを下流側合流点６で合流させる。メイン配管４には絞り弁７及び熱量計８ａ（Advantica社製、製品名：GasPT）を、バイパス配管５には質量流量計（ＭＦＣ）９及び熱量計８ｂを取り付けてある。取出口Ａ，Ｂに接続する場合も同様である。但し、流路差により変動位相に差が生じないように、各取出口から質量流量計９までの配管長が一定になるように調整してある。
【００１８】
（試験方法）
容器２に、試験ガスを空塔速度２０００ｈ^−１（供給量１L/min）、温度２５℃の流入条件で流した。次いで、質量流量計９及び絞り弁７により、メイン配管４側流量とバイパス配管５側流量との流量比（Ｆ１：Ｆ２）を（ａ）８０：２０、又は（ｂ）６２：３８に調整した。その状態で、両配管を流れるガスの発熱量変動を、それぞれ熱量計８ａ、８ｂで測定した。バイパス配管５を取出口Ａ，Ｂに接続した場合についても、同様の測定を行った。
【００１９】
（測定結果）
図５に、流量比８０：２０の場合の出口１１、取出口Ａ，Ｂ，Ｃから出たガスの、発熱量変動の時間的推移を示す。図６は、その一部拡大図である。また、表２に、出口１１との位相時間差及び変動幅の数値を示す。これらより、出口１１と取出口Ａ，Ｂ，Ｃでは、明確に位相差が生じていることが分かる。さらに、取出口間にも位相差があることが分かる。
【００２０】
【表２】

【００２１】
他の条件は上記測定と同一とし、流量比（Ｆ１：Ｆ２）のみ６２：３８に変えて、発熱量変動の時間的推移を測定した。図７、８に結果を示す。また、表３に出口１１との時間差及び変動幅の数値を示す。
【００２２】
【表３】

【００２３】
（評価）
上記試験の結果を、取出口位置と変動幅、位相の時間差の関係をまとめると、図９の通りとなる。いずれの流量比についても、取出口Ｃにおいて変動幅は最小であり、出口１１との変動位相差も最大であった。一方、取出口Ｂ位置では変動幅は出口１１よりも大きく、また位相差もつきにくくなっている。
以上の結果から、出口１１の変動幅を超えることなく、かつ、変動幅を相殺できる位相差が生じるのは、Ｌが０．６以上で、かつ、１．０未満の範囲といえる。さらに、Ｌ＝０．７５近傍が最適位置と考えられる。
【実施例２】
【００２４】
次に、図１０に示すように、試験装置１に代えて、バイパス配管５を取出口Ｃに接続し、かつ、メイン配管４に位相差発生機構２１（延長配管＝３８ｍ）を取り付けて、配管間に流路差を設けた試験装置２０を用いた。なお、熱量計８ｃは合流点６の下流側に配設した。流量比（Ｆ１：Ｆ２）を６２：３８に設定して、実施例１と同様の試験を行った。比較のため、流路差を設けない場合の試験も行った。
図１１に発熱量変動の時間的推移拡大図を示す。流路差を設けた場合には、ΔＨ＝０．４７ＭＪ／ｍ３となり、流路差を設けない場合の値、０．７０ＭＪ／ｍ３と比べて、さらに発熱量を安定化させることができた。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、燃料ガスの発熱量抑制に限らず、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。
【符号の説明】
【００２６】
１、２０・・・・試験装置
２・・・・容器（吸着塔）
４・・・・メイン配管
５・・・・バイパス配管
７・・・・絞り弁
８ａ、８ｂ、８ｃ・・・・熱量計
９・・・・質量流量計
１０・・・ガス入口
１１・・・ガス出口
Ａ，Ｂ，Ｃ・・・・ガス取出口

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス組成が時間経過とともに変化する混合ガスの供給ライン経路中に吸着材を充填した吸着塔を備えた混合ガス供給装置であって、
該吸着塔は、
供給ラインの上流側配管と接続するガス入口部と、
供給ラインの下流側配管と接続するガス出口部と、
ガス入口部とガス出口部の中間より下流側の位置にガス取出部と、を備え、
該吸着塔の下流側には、
ガス取出部と下流側配管の合流点とを結ぶバイパス配管と、
下流側配管の合流点までの経路中に、下流側配管及びバイパス配管を通過する混合ガスの流量比を調整して、合流後の混合ガスの組成変動幅を制御可能とする流量比制御手段と、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】
前記ガス取出部を、前記吸着塔の有効長さ（Ｌ）に対して、０．６Ｌ以上、かつ、１．０Ｌ未満の位置に設けた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】
前記ガス取出部を、前記吸着塔有効長さ（Ｌ）に対して、０．７５Ｌ近傍の位置に設けた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４】
請求項１乃至３において、前記下流側配管又は前記バイパス配管の少なくとも一方の経路中に、組成変動位相差発生手段を、さらに備えて成ることを特徴とする混合ガス供給装置。
【請求項５】
前記位相差発生手段が、前記下流側配管又は前記バイパス配管の延長配管であることを特徴とする請求項４に記載の混合ガス供給装置。
【請求項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。
【請求項７】
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６に記載の混合ガス供給装置。
【請求項８】
請求項１乃至７の混合ガス供給装置において、
前記流量比制御手段により流量比を調整することにより、合流後の混合ガスの組成変動を所望の範囲内に制御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制御方法。
【請求項９】
請求項６又は７に記載の混合ガス供給装置において、
ガス組成が時間経過とともに変化する燃料ガス又は都市ガスを、前記流量比制御手段により流量比を調整することにより、合流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。
【請求項１０】
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。

【図１】