(57)【要約】  可燃性ガスを吸着する吸着材(３)を充填した吸着塔(２)と、吸着塔(２)に可燃性ガスおよび空気を含有する原料ガス(Ｇ)を供給路(３０)を通じて供給するとともに、原料ガス(Ｇ)のうち吸着材(３)に吸着されなかった排ガス(ＯＧ)を放出路(３１)を通じて吸着塔(２)の外部に放出する供給手段(４)と、吸着塔(２)内を大気圧よりも減圧して吸着材(３)に吸着された可燃性ガスを脱着させ、収集路(３２)を通じて収集する収集手段(５)と、供給手段(４)により吸着塔(２)へ原料ガス(Ｇ)を供給するとともに、吸着塔(２)から排ガス(ＯＧ)を放出する可燃性ガス吸着工程と収集手段(５)により脱着される可燃性ガスを収集する可燃性ガス脱着工程とを順次実行させる制御手段(６)と、を備える。
2008053680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃性ガスを吸着する吸着材を充填した吸着塔と、
前記吸着塔に可燃性ガスおよび空気を含有する原料ガスを供給路を通じて供給するとともに、前記原料ガスのうち前記吸着材に吸着されなかった排ガスを放出路を通じて前記吸着塔の外部に放出する供給手段と、
前記吸着塔内を大気圧よりも減圧して前記吸着材に吸着された可燃性ガスを脱着させ、収集路を通じて収集する収集手段と、
前記供給手段により前記吸着塔へ前記原料ガスを供給するとともに、前記吸着塔から前記排ガスを放出する可燃性ガス吸着工程と前記収集手段により脱着される前記可燃性ガスを収集する可燃性ガス脱着工程とを順次実行させる制御手段と、を備える可燃性ガス濃縮装置。
【請求項２】
前記吸着材が、前記可燃性ガスとしてのメタンガスを吸着するメタン吸着材であるとともに、ＭＰ法による平均細孔直径が４．５〜１５Åで、かつ大気圧および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｃｃ／ｇ以上である活性炭、ゼオライト、シリカゲルおよび有機金属錯体からなる群から選択される少なくとも一つである請求項１に記載の可燃性ガス濃縮装置。
【請求項３】
前記吸着材が、前記可燃性ガスとしてのメタンガスを吸着するメタン吸着材であるとともに、ＨＫ法における平均細孔直径の１０Å以下の細孔容積が、全細孔容積の５０Ｖｏｌ％以上である請求項１又は２に記載の可燃性ガス濃縮装置。
【請求項４】
前記吸着材が、前記可燃性ガスとしてのメタンガスを吸着するメタン吸着材であるとともに、７７Ｋ下での窒素吸着量において、ＨＫ法による１０Åの平均細孔直径に対応する相対圧０．０１３下での窒素吸着量が、全細孔容積に対応する相対圧０．９９下での窒素吸着量の５０Ｖｏｌ％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の可燃性ガス濃縮装置。
【請求項５】
前記放出路における前記可燃性ガスの状態を検出する吸着完了検出手段を備え、
前記制御手段が、前記吸着完了検出手段の検出結果に基づいて、前記可燃性ガス吸着工程から前記可燃性ガス脱着工程への切換を実行させる請求項１〜４の何れか一項に記載の可燃性ガス濃縮装置。
【請求項６】
前記制御手段が、前記可燃性ガス脱着工程が終了した前記吸着塔に、空気を供給してから、前記可燃性ガス吸着工程を実行させる請求項１〜５の何れか一項に記載の可燃性ガス濃縮装置。
【請求項７】
前記制御手段が、前記吸着塔に空気を供給した後、さらに当該吸着塔へ前記収集された可燃性ガスを供給し、その後、前記可燃性ガス吸着工程を実行させる請求項６に記載の可燃性ガス濃縮装置。
【請求項８】
収集された可燃性ガスを貯蔵する貯蔵タンクと前記吸着塔とを連通するパージ路を備え、前記制御手段が、前記貯蔵タンク内における高濃度の可燃性ガスの一部を、前記パージ路を通じて前記可燃性ガス吸着工程が終了した前記吸着塔内に流通するパージ工程を、前記可燃性ガス脱着工程の前に実行させる請求項１〜７の何れか一項に記載の可燃性ガス濃縮装置。
【請求項９】
前記制御手段が、前記パージ工程において前記吸着塔に流通された前記高濃度の可燃性ガスが前記吸着塔から前記放出路に放出された後、前記可燃性ガス脱着工程の前に、前記放出路と前記供給路とを連通接続するパージガス回収路を通じて、当該高濃度の可燃性ガスを前記供給路に再度流通する再流通工程を実行させる請求項８に記載の可燃性ガス濃縮装置。
【請求項１０】
前記吸着塔が２塔からなり、前記制御手段が、前記２塔の吸着塔間において前記可燃性ガス吸着工程と前記可燃性ガス脱着工程とを交互に実行させる請求項１〜７の何れか一項に記載の可燃性ガス濃縮装置。
【請求項１１】
前記吸着塔が複数塔からなり、前記制御手段が、前記複数塔の吸着塔間において前記可燃性ガス吸着工程と前記パージ工程と前記可燃性ガス脱着工程とを順次実行させる請求項８又は９に記載の可燃性ガス濃縮装置。
【請求項１２】
前記制御手段が、前記可燃性ガス脱着工程が終了した一方の前記吸着塔と前記可燃性ガス吸着工程が終了した他方の前記吸着塔とを連通する吸着塔間連通路を通じて、前記他方の吸着塔から前記一方の前記吸着塔へ前記他方の吸着塔内のガスを流通する均圧工程を、前記一方の吸着塔における前記可燃性ガス吸着工程の前であって、かつ前記他方の吸着塔における前記可燃性ガス脱着工程の前に、実行させる請求項１０又は１１に記載の可燃性ガス濃縮装置。
【請求項１３】
収集された可燃性ガスを貯蔵する貯蔵タンクと前記供給路とを連通する再供給路を備え、前記可燃性ガス吸着工程において、前記制御手段が、前記供給路を流通する原料ガスと、前記貯蔵タンクから再供給路を通じて前記供給路を流通する高濃度の可燃性ガスの一部とを混合して、前記吸着塔へ供給する請求項１から１２の何れか一項に記載の可燃性ガス濃縮装置。
【請求項１４】
可燃性ガスを吸着する吸着材を充填した吸着塔に、可燃性ガスおよび空気を含有する原料ガスを、供給路を通じて供給するとともに、前記原料ガスのうち前記吸着材に吸着されなかった排ガスを、放出路を通じて前記吸着塔の外部に放出する可燃性ガス吸着工程を行った後、前記吸着塔内を大気圧よりも減圧して前記吸着材に吸着された可燃性ガスを脱着させ、収集路を通じて前記可燃性ガスを収集する可燃性ガス脱着工程を実行する可燃性ガス濃縮方法。
【請求項１５】
収集された可燃性ガスを貯蔵する貯蔵タンク内における高濃度の可燃性ガスの一部を、前記可燃性ガス吸着工程が終了し、かつ前記可燃性ガス脱着工程を実行する前の前記吸着塔内にパージ路を通じて流通させてパージ工程を実行する請求項１４に記載の可燃性ガス濃縮方法。
【請求項１６】
前記パージ工程において前記吸着塔に流通された可燃性ガスが前記吸着塔から前記放出路に放出された後であって、前記可燃性ガス脱着工程を実行する前に、パージガス回収路を通じて当該可燃性ガスを前記供給路に再度流通させる再流通工程を実行する請求項１５に記載の可燃性ガス濃縮方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可燃性ガスおよび空気を含有する原料ガスを吸着塔に供給して、可燃性ガスを吸着させ、濃縮する可燃性ガス濃縮装置及び可燃性ガス濃縮方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
可燃性ガスを燃料などとして有効に利用する場合には、可燃性ガスが含まれる原料ガスから空気などのガスを分離して、適当な範囲にまで可燃性ガスを濃縮する必要がある。このような可燃性ガスを濃縮する装置や方法は種々提案されているが、例えば特許文献１では、可燃性ガスとしてのメタンガスを含有する炭鉱から発生するガス（いわゆる炭鉱ガス）を原料ガスとして、この原料ガスから吸着材を用いて空気（主に窒素、酸素、二酸化炭素が含まれる）を分離し、メタンガスを濃縮して利用する発明が提案されている。【０００３】
すなわち、上記特許文献１では、窒素に比べてメタンガスの吸着速度が非常に遅い天然ゼオライトを吸着材として用いて（換言すると、メタンガスに対して窒素、酸素、二酸化炭素を優先的に吸着する吸着材を用いて）、当該吸着材が充填された吸着塔に炭鉱ガスを圧縮機等により所定圧になるまで導入して、炭鉱ガスに含まれる酸素、窒素、二酸化炭素を先に吸着塔の手前部（下部）に吸着させ、吸着塔の奥部（上部）に吸着速度の遅いメタンガスを吸着させて、さらに当該メタンガスを吸着塔の上部から大気圧になるまで放出して、メタンガスを濃縮する装置および方法の発明が提案されている。
これにより、原料ガスとしての炭鉱ガスから、吸着材を用いて空気を分離し、メタンガスを濃縮して、当該濃縮されたメタンガスを燃料等として利用することができるものとされている。
【特許文献１】特開昭５８−１９８５９１号公報
【発明の開示】
【０００４】
一方、一般に可燃性ガスは爆発する可能性が存在し、原料ガス等に可燃性ガスが所定の濃度範囲で含まれている場合に爆発する可能性があるものとされている。この濃度範囲は、可燃性ガスの種類によって異なるが、一般的には、可燃性ガスが５〜２０Ｖｏｌ％程度含まれる範囲とされている。そして、上述のメタンガスの場合でも、同様の濃度範囲で爆発の可能性があるものとされている。
また、可燃性ガスの爆発の可能性は、可燃性ガスの濃度に加え、原料ガス等に酸素ガスが所定の濃度で含まれる場合に爆発する可能性があるものとされている。この濃度範囲は、酸素ガスが１０Ｖｏｌ％以上含まれる範囲とされている。
【０００５】
したがって、可燃性ガスを含有するガスを取り扱う際には、上記可燃性ガスおよび酸素ガスの濃度範囲に充分な配慮をする必要がある。特に、可燃性ガス若しくは酸素ガスが爆発する可能性がある濃度範囲付近にあるガスである場合には、当該可燃性ガス若しくは酸素ガスの濃度を調整して、上記濃度範囲に入らないようにすることが重要である。
【０００６】
ここで、この点について、上記特許文献１に記載の発明について検討すると、濃縮後のメタンガスは比較的高濃度（メタン濃度６０Ｖｏｌ％程度）であり爆発濃度範囲外となっているものの、炭鉱ガス（メタン濃度４４Ｖｏｌ％程度、酸素ガス濃度１２Ｖｏｌ％程度）からメタンガスをある程度取り出した後の排ガスには、メタンガスが比較的低濃度（メタン濃度４４Ｖｏｌ％以下）で含まれており、さらに酸素ガスも所定濃度（酸素ガス濃度１２Ｖｏｌ％程度以上）含まれているため、メタンガス及び酸素ガスの何れもが爆発濃度範囲内に入る可能性があり、当該排ガスが爆発するおそれが生じ問題である。
【０００７】
また、上記炭鉱ガスは、炭鉱内に存在する際にはメタン濃度が非常に濃い状態（メタン濃度９９Ｖｏｌ％程度）であるが、炭鉱ガスが自然に湧き出ている場合や炭鉱ガスを利用するために真空ポンプ等を用いて吸い上げたりした場合には、空気が混合されるため、メタン濃度が低い状態（条件にもよるが、例えばメタンガスが平均２０〜４０Ｖｏｌ％程度含まれる状態）となる。
したがって、特許文献１に記載の発明のように、爆発の可能性のある濃度範囲に近い濃度の炭鉱ガスを、圧縮機等を利用して吸着塔に導入した場合には、炭鉱ガスの圧力が上昇して、上記濃度範囲よりも広い濃度範囲においても爆発するおそれが生じ問題である。
すなわち、炭鉱内において、圧縮機を使用してメタンガスの濃縮を行うことは、好ましいとは言い難い。
【０００８】
なお、上述した特許文献１におけるメタンガスの濃縮装置の爆発の可能性は、メタンガスの濃縮装置のみについて生じるものではなく、可燃性ガス一般の濃縮装置についても生じ得る問題である。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、可燃性ガスを濃縮する際に、爆発範囲の濃度となることを回避しつつ高濃度な濃縮を実現することができる技術を提供する点にある。
【００１０】
上記目的を達成するための本発明に係る可燃性ガス濃縮装置の第１特徴構成は、可燃性ガスを吸着する吸着材を充填した吸着塔と、前記吸着塔に可燃性ガスおよび空気を含有する原料ガスを供給路を通じて供給するとともに、前記原料ガスのうち前記吸着材に吸着されなかった排ガスを放出路を通じて前記吸着塔の外部に放出する供給手段と、前記吸着塔内を大気圧よりも減圧して前記吸着材に吸着された可燃性ガスを脱着させ、収集路を通じて収集する収集手段と、前記供給手段により前記吸着塔へ前記原料ガスを供給するとともに、前記吸着塔から前記排ガスを放出する可燃性ガス吸着工程と前記収集手段により脱着される前記可燃性ガスを収集する可燃性ガス脱着工程とを順次実行させる制御手段と、を備える点にある。
【００１１】
上記第１特徴構成によれば、上記供給手段により吸着塔に供給された原料ガスから可燃性ガスを吸着材に吸着して、原料ガスのうち吸着材に吸着されなかった排ガスを吸着塔から外部に放出する可燃性ガス吸着工程と、上記収集手段により吸着塔内を大気圧よりも減圧して、吸着材に吸着された可燃性ガスを脱着させ、収集する可燃性ガス脱着工程とを、制御手段の制御によって順次実行させる。
これにより、可燃性ガス吸着工程では、可燃性ガス自体を吸着材に吸着させることができ、排ガス中の可燃性ガスの濃度を極めて低い濃度範囲にして、爆発範囲外の濃度にすることができる。
また、可燃性ガス脱着工程では、吸着塔を大気圧よりも低く減圧して可燃性ガスを脱着させるので、可燃性ガスの回収率を上げつつ、可燃性ガスの濃度を爆発範囲よりも高く、同時に酸素濃度を低くして、収集した濃縮済みの可燃性ガスを爆発範囲外の濃度にすることができる。
さらに、上記供給手段が、吸着塔への原料ガスの供給と吸着塔からの排ガスの放出とを同時に行うとともに、大気圧付近で可燃性ガスの吸着性能の高い吸着材を用いるため、圧縮ポンプ等を用いることなく単なる送風等により、原料ガスを吸着塔に供給することができ、原料ガスの供給の際に、圧縮機等により原料ガスの圧力が上昇して爆発範囲内の濃度になることを防止することができる。
【００１２】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置の第２特徴構成は、第１特徴構成に加えて、前記吸着材が、前記可燃性ガスとしてのメタンガスを吸着するメタン吸着材であるとともに、ＭＰ法による平均細孔直径が４．５〜１５Åで、かつ大気圧および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｃｃ／ｇ以上である活性炭、ゼオライト、シリカゲルおよび有機金属錯体からなる群から選択される少なくとも一つである点にある。
【００１３】
上記第２特徴構成によれば、上記吸着材として大気圧及び２９８Ｋ下においてメタンガスを選択的に吸着できるメタン吸着材を用いることで、当該メタン吸着材に大気圧及び２９８Ｋ下でも充分にメタンガスを吸着することができる。
すなわち、大気圧および２９８Ｋ下におけるメタン吸着量が２０Ｎｃｃ／ｇより低いと、低圧（特に大気圧程度）でのメタン吸着性能が低下して、濃縮後のメタンガスのメタン濃度が低下するとともに、吸着性能を維持するには、吸着材の増量が必要となり装置が大型化する。なお、上記メタン吸着量の上限は特に制限されないが、現状で得られるメタン吸着材のメタン吸着量は４０Ｎｃｃ／ｇ以下程度である。
また、ＭＰ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−Ｐｒｏｂｅ法）における平均細孔直径が４．５Åより小さいと、酸素ガス、窒素ガスの吸着量が増え、濃縮後におけるメタンガス中のメタン濃度が低下したり、平均細孔直径がメタン分子径に近くなり吸着速度が遅くなってメタン吸着性能が低下したり、吸着しなくなる。一方、ＭＰ法における平均細孔直径が１５Åより大きい場合も、低圧（特に大気圧程度）でのメタン吸着性能が低下して、濃縮後のメタンガスのメタン濃度が低下するとともに、吸着性能を維持するには、吸着材の増量が必要となり装置が大型化する。
したがって、ＭＰ法による平均細孔直径が４．５〜１５Åで、かつ大気圧および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｃｃ／ｇ以上である活性炭、ゼオライト、シリカゲルおよび有機金属錯体からなる群から選択される少なくとも一つであるメタン吸着材が良い。
【００１４】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置の第３特徴構成は、第１又は第２特徴構成に加えて、前記吸着材が、前記可燃性ガスとしてのメタンガスを吸着するメタン吸着材であるとともに、ＨＫ法における平均細孔直径の１０Å以下の細孔容積が、全細孔容積の５０Ｖｏｌ％以上であることを特徴とする点にある。
【００１５】
上記第３特徴構成によれば、ＨＫ法（Ｈｏｒｖａｔｈ−Ｋａｗａｚｏｅ法）における平均細孔直径が１０Å以下である細孔容積が全細孔容積の５０Ｖｏｌ％以上を占めているため、大気圧下でもメタンガスの吸着可能量を増大させて、充分にメタンガスを吸着することができる。なお、上記平均細孔直径の下限は、特になく、平均細孔直径が１０Å以下の細孔容積が全細孔容積の５０％以上であればよい。
【００１６】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置の第４特徴構成は、第１又は第２特徴構成に加えて、前記吸着材が、前記可燃性ガスとしてのメタンガスを吸着するメタン吸着材であるとともに、７７Ｋ下での窒素吸着量において、ＨＫ法による１０Åの平均細孔直径に対応する相対圧０．０１３下での窒素吸着量が、全細孔容積に対応する相対圧０．９９下での窒素吸着量の５０Ｖｏｌ％以上であることを特徴とする点にある。ここで、相対圧とは、測定温度における飽和蒸気圧に対する圧力比を意味する。
【００１７】
上記第４特徴構成によれば、メタンガスを選択的に吸着することができる吸着材において、７７Ｋ下での窒素吸着量として、ＨＫ法（Ｈｏｒｖａｔｈ−Ｋａｗａｚｏｅ法）における１０Åの平均細孔直径に対応する相対圧０．０１３下という低圧状態での窒素吸着量を、全細孔容積に対応する相対圧０．９９下という７７Ｋにおける飽和蒸気圧に近い状態での窒素吸着量の５０Ｖｏｌ％以上とすることとなる。
これにより、相対圧０．９９における吸着量は全細孔容積を、相対圧０．０１３における吸着量は１０Å以下の細孔容積を示し、それぞれの値の比は上記と同じように１０Å以下の細孔の割合が多いことを示している。その結果として、メタンガスと空気との混合ガスを原料ガスとする場合も、大気圧付近でのメタンガスの濃縮を容易にかつ、効率よく行なうことができる。
【００１８】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置の第５特徴構成は、第１〜第４特徴構成の何れかに加えて、前記放出路における前記可燃性ガスの状態を検出する吸着完了検出手段を備え、前記制御手段が、前記吸着完了検出手段の検出結果に基づいて、前記可燃性ガス吸着工程から前記可燃性ガス脱着工程への切換を実行させる点にある。
【００１９】
上記第５特徴構成によれば、上記吸着完了検出手段による検出結果に基づいて、制御手段が上記可燃性ガス吸着工程から前記可燃性ガス脱着工程への切換を実行することができる。
これにより、放出路における可燃性ガスの状態を検出して、可燃性ガスの吸着が完了したと判断できれば、可燃性ガス吸着工程の後、即座に可燃性ガス脱着工程を実行し、吸着の完了に伴って吸着されなかった可燃性ガスが放出路に放出されるのを防止することができる。
【００２０】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置の第６特徴構成は、第１〜第５特徴構成の何れかに加えて、前記制御手段が、前記可燃性ガス脱着工程が終了した前記吸着塔に、空気を供給してから、前記可燃性ガス吸着工程を実行させる点にある。
【００２１】
上記第６特徴構成によれば、上記制御手段が、上記可燃性ガス脱着工程が終了した前記吸着塔に、空気を供給してから、前記可燃性ガス吸着工程を実行することができる。
これにより、可燃性ガス脱着工程が終了して大気圧よりも低く減圧された状態にある吸着塔内に、比較的高圧（大気圧付近）の空気を供給して、大気圧付近にまで昇圧することができ（以下、空気昇圧工程と呼ぶ場合もある）、吸着塔において可燃性ガス吸着工程を実行する際に、吸着対象である可燃性ガスが吸着され易い環境を作ることができる。
【００２２】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置の第７特徴構成は、第６特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記吸着塔に空気を供給した後、さらに当該吸着塔へ前記収集された可燃性ガスを供給し、その後、前記可燃性ガス吸着工程を実行させる点にある。
【００２３】
上記第７特徴構成によれば、上記制御手段が、上記可燃性ガス脱着工程が終了した前記吸着塔に、空気を供給した後、さらに上記可燃性ガス脱着工程において収集された高濃度の可燃性ガスを供給し、その後、前記可燃性ガス吸着工程を実行することができる。
すなわち、可燃性ガス脱着工程が終了して大気圧よりも低く減圧された状態にある吸着塔内に、比較的高圧（大気圧付近）の空気を供給して所定の圧力まで昇圧することができるとともに、その後さらに高濃度の可燃性ガスを供給して所定の圧力から大気圧付近にまで昇圧することができる。
これにより、吸着塔において可燃性ガス吸着工程を実行する際に、原料ガスと当該原料ガスよりも高濃度の可燃性ガスとを吸着材へ供給することができ、原料ガスのみを供給した場合と比較して可燃性ガスの濃縮率を向上させることができる。また、吸着塔内の圧力を大気圧付近にまで昇圧することで、吸着対象である可燃性ガスが吸着され易い環境を作ることができる。なお、濃縮率を向上させるために空気による昇圧を全く行わないことも考えられるが、高濃度の可燃性ガスのみを吸着塔に供給すると可燃性ガス吸着工程において当該高濃度の可燃性ガスのみが吸着され、すぐに可燃性ガスが所定の濃度となって放出路から放出されてしまい、原料ガスを十分に吸着させることができないため、空気を導入して所定の圧力まで昇圧を行うことが必要である。
【００２４】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置の第８特徴構成は、第１〜第７特徴構成の何れか一つに加えて、収集された可燃性ガスを貯蔵する貯蔵タンクと前記吸着塔とを連通するパージ路を備え、前記制御手段が、前記貯蔵タンク内に貯蔵された高濃度の可燃性ガスの一部を、前記パージ路を通じて前記可燃性ガス吸着工程が終了した前記吸着塔内に流通するパージ工程を、前記可燃性ガス脱着工程の前に実行させる点にある。
【００２５】
上記第８特徴構成によれば、上記制御手段が、貯蔵タンク内に貯蔵された高濃度の可燃性ガスの一部を、貯蔵タンクと吸着塔とを連通するパージ路を通じて上記可燃性ガス吸着工程が終了した吸着塔内に流通するパージ工程を、前記可燃性ガス脱着工程の前に実行することができる。
これにより、可燃性ガス吸着工程が終了し可燃性ガス脱着工程が開始される前において、可燃性ガスがほとんど存在していない状態における吸着塔内の排ガス（窒素ガス、酸素ガスが大部分を占めるものと考えられる）を、パージ工程を実行することにより貯蔵タンクに貯蔵された高濃度の可燃性ガスにより吸着塔内から追い出して放出路に放出させ、吸着塔内の可燃性ガスの濃度を上げた状態としておよび高濃度の可燃性ガスパージによる、可燃性ガス吸着量の増大により、後に実行される可燃性ガス脱着工程において収集される可燃性ガスの濃度の低下を防止することができる。
【００２６】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置の第９特徴構成は、第８特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記パージ工程において前記吸着塔に流通された前記高濃度の可燃性ガスが前記吸着塔から前記放出路に放出された後、前記可燃性ガス脱着工程の前に、前記放出路と前記供給路とを連通接続するパージガス回収路を通じて、当該高濃度の可燃性ガスを前記供給路に再度流通する再流通工程を実行させる点にある。
【００２７】
上記第９特徴構成によれば、上記制御手段が、上記パージ工程において吸着塔に流通された高濃度の可燃性ガスにより吸着塔内のガスを追い出し、当該可燃性ガスが前記吸着塔から前記放出路に放出された後、前記可燃性ガス脱着工程の前に、前記放出路と前記供給路とを連通接続するパージガス回収路を通じて当該可燃性ガスを前記供給路に再度流通させる再流通工程を実行することができる。
これにより、パージ工程において吸着塔内のガスを放出させるために用いた高濃度の可燃性ガスを、放出路を通じて吸着塔の外部空間に放出してしまうことなく、再度、供給路に流通させて、高濃度に濃縮された可燃性ガスの無駄を防止するとともに、原料ガスよりも高濃度に濃縮された可燃性ガスをさらに濃縮に用いて、より可燃性ガスの濃縮を促進することができる。
【００２８】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置の第１０特徴構成は、第１〜第７特徴構成に加えて、前記吸着塔が２塔からなり、前記制御手段が、前記２塔の吸着塔間において前記可燃性ガス吸着工程と前記可燃性ガス脱着工程とを交互に実行させる点にある。
【００２９】
上記第１０特徴構成によれば、上記２塔からなる吸着塔間において、制御手段が、交互に前記可燃性ガス吸着工程と前記可燃性ガス脱着工程とを実行させて、濃縮された可燃性ガスを連続的に収集することができ、可燃性ガスの生産性が向上する。
【００３０】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置の第１１特徴構成は、第８又は第９特徴構成に加えて、前記吸着塔が複数塔からなり、前記制御手段が、前記複数塔の吸着塔間において前記可燃性ガス吸着工程と前記パージ工程と前記可燃性ガス脱着工程とを順次実行させる点にある。
【００３１】
上記第１１特徴構成によれば、上記複数塔からなる吸着塔間において、制御手段が、前記可燃性ガス吸着工程と前記パージ工程と前記可燃性ガス脱着工程とを順次実行させて、濃縮された可燃性ガスを連続して収集することができるとともに、上記パージ工程により高濃度の可燃性ガスを生産できるため、より高濃度の可燃性ガスの生産性が向上する。
【００３２】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置の第１２特徴構成は、第１０又は第１１特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記可燃性ガス脱着工程が終了した一方の前記吸着塔と前記可燃性ガス吸着工程が終了した他方の前記吸着塔とを連通する吸着塔間連通路を通じて、前記他方の吸着塔から前記一方の前記吸着塔へ前記他方の吸着塔内のガスを流通する均圧工程を、前記一方の吸着塔における前記可燃性ガス吸着工程の前であって、かつ前記他方の吸着塔における前記可燃性ガス脱着工程の前に、実行させる点にある。
【００３３】
上記第１２特徴構成によれば、前記制御手段が、一方の前記吸着塔と他方の前記吸着塔とを連通する吸着塔間連通路を通じて、前記他方の吸着塔から前記一方の前記吸着塔へ前記他方の吸着塔内のガスを流通する均圧工程を、前記一方の吸着塔における前記可燃性ガス吸着工程の前であって、かつ前記他方の吸着塔における前記可燃性ガス脱着工程の前に、実行させることができる。
これにより、吸着塔間連通路を通じて、上記可燃性ガス吸着工程が終了し、上記可燃性ガス脱着工程の前における比較的高圧状態（大気圧付近）にある上記他方の吸着塔から、上記可燃性ガス脱着工程が終了し、前記可燃性ガス吸着工程の前における比較的低圧状態（大気圧から真空まで程度）にある上記一方の吸着塔へ、上記他方の吸着塔内のガスを流通して両吸着塔内の圧力を上記均圧工程により均衡させることができ、上記一方の吸着塔内を昇圧して、当該一方の吸着塔において可燃性ガス吸着工程を実行する際に、吸着対象である可燃性ガスが吸着され易い環境を作ることができる。
また、可燃性ガス脱着工程により高濃度の可燃性ガスを得る際、吸着塔内の圧力が低くなるに従い、得られる製品ガスの濃度が高くなる。従って、均圧工程を実行することにより可燃性ガス脱着工程前の吸着塔内の圧力をより低くでき、均圧工程を実行しない場合に比べてより高い濃度の可燃性ガスが得られる。
【００３４】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置の第１３特徴構成は、第１から第１２特徴構成の何れかに加えて、収集された可燃性ガスを貯蔵する貯蔵タンクと前記供給路とを連通する再供給路を備え、前記可燃性ガス吸着工程において、前記制御手段が、前記供給路を流通する原料ガスと、前記貯蔵タンクから再供給路を通じて前記供給路を流通する高濃度の可燃性ガスの一部とを混合して、前記吸着塔へ供給する点にある。
【００３５】
上記第１３特徴構成によれば、原料ガス中の可燃性ガスの濃度が低い場合等であっても、当該原料ガスが吸着塔に供給される前の供給路において、貯蔵タンクから再供給路を通じて流通させた高濃度の可燃性ガスと混合させ、原料ガスの濃度をある程度上昇させた上で、吸着塔内に供給させることができる。
これにより、貯蔵タンクへ収集される濃縮後の可燃性ガスの濃度をより一層高濃度に濃縮できるとともに、原料ガスや濃縮後の可燃性ガスの濃度が爆発範囲内に入ってしまうことを効果的に防止することができる。
【００３６】
上記目的を達成するための本発明に係る可燃性ガス濃縮方法の第１特徴手段は、可燃性ガスを吸着する吸着材を充填した吸着塔に、可燃性ガスおよび空気を含有する原料ガスを、供給路を通じて供給するとともに、前記原料ガスのうち前記吸着材に吸着されなかった排ガスを、放出路を通じて前記吸着塔の外部に放出する可燃性ガス吸着工程を行った後、前記吸着塔内を大気圧よりも減圧して前記吸着材に吸着された可燃性ガスを脱着させ、収集路を通じて前記可燃性ガスを収集する可燃性ガス脱着工程を実行する点にある。
【００３７】
上記第１特徴手段によれば、吸着塔に供給された原料ガスから可燃性ガスを吸着材に吸着して、原料ガスのうち吸着材に吸着されなかった排ガスを吸着塔から外部に放出する可燃性ガス吸着工程を行った後、吸着塔内を大気圧よりも減圧して、吸着材に吸着された可燃性ガスを脱着させ、収集する可燃性ガス脱着工程を、順次実行することができる。
これにより、可燃性ガス自体を吸着材に吸着させることができ、排ガス中の可燃性ガスの濃度を極めて低い濃度範囲にして、爆発範囲外の濃度にすることができる。
また、吸着塔を大気圧よりも低く減圧して可燃性ガスを脱着させるので、可燃性ガスの回収率を上げつつ、可燃性ガスの濃度を爆発範囲よりも高く、同時に酸素濃度を低くして、収集した濃縮済みの可燃性ガスを爆発範囲外の濃度にすることができる。
さらに、吸着塔への原料ガスの供給と吸着塔からの排ガスの放出とを同時に行うとともに、大気圧付近で可燃性ガスの吸着性能の高い吸着材を用いるため、圧縮ポンプ等を用いることなく単なる送風等により、原料ガスを吸着塔に供給することができ、原料ガスの供給の際に、圧縮機等により原料ガスの圧力が上昇して爆発範囲内の濃度になることを防止することができる。
【００３８】
本発明に係る可燃性ガス濃縮方法の第２特徴手段は、第１特徴手段に加えて、収集された可燃性ガスを貯蔵する貯蔵タンク内における高濃度の可燃性ガスの一部を、前記可燃性ガス吸着工程が終了し、かつ前記可燃性ガス脱着工程を実行する前の前記吸着塔内にパージ路を通じて流通させてパージ工程を実行する点にある。
【００３９】
上記第２特徴手段によれば、貯蔵タンク内に貯蔵された高濃度の可燃性ガスの一部を、貯蔵タンクと吸着塔とを連通するパージ路を通じて、上記可燃性ガス吸着工程が終了し可燃性ガス脱着工程が開始される前の吸着塔内に流通してパージ工程を実行することができる。
これにより、可燃性ガス吸着工程が終了し可燃性ガス脱着工程が開始される前において、可燃性ガスがほとんど存在していない状態における吸着塔内の排ガス（窒素ガス、酸素ガスが大部分を占めるものと考えられる）を、パージ工程を実行することにより、貯蔵タンクに貯蔵された高濃度の可燃性ガスにより吸着塔内から追い出して放出路に放出させ、吸着塔内の可燃性ガスの濃度を上げた状態としておよび高濃度の可燃性ガスパージによる、可燃性ガス吸着量の増大により後に実行される可燃性ガス脱着工程において収集される可燃性ガスの濃度の低下を防止することができる。
【００４０】
本発明に係る可燃性ガス濃縮方法の第３特徴手段は、第２特徴手段に加えて、前記パージ工程において前記吸着塔に流通された可燃性ガスが前記吸着塔から前記放出路に放出された後であって、前記可燃性ガス脱着工程を実行する前に、パージガス回収路を通じて当該可燃性ガスを前記供給路に再度流通させる再流通工程を実行する点にある。
【００４１】
上記第３特徴手段によれば、上記パージ工程において吸着塔に流通された高濃度の可燃性ガスにより吸着塔内のガスを追い出し、当該可燃性ガスが前記吸着塔から前記放出路に放出された後であって、前記可燃性ガス脱着工程を実行する前に、前記放出路と前記供給路とを連通接続するパージガス回収路を通じて当該可燃性ガスを前記供給路に再度流通する再流通工程を実行させることができる。
これにより、パージ工程において吸着塔内のガスを放出させるために用いた高濃度の可燃性ガスを、放出路を通じて吸着塔の外部空間に放出してしまうことなく、再度、供給路に流通させて、高濃度に濃縮された可燃性ガスの無駄を防止するとともに、原料ガスよりも高濃度に濃縮された可燃性ガスをさらに濃縮に用いて、より可燃性ガスの濃縮を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１実施形態の可燃性ガス濃縮装置の構成を示す概略構成図であり、
【図２】本願におけるメタン吸着材３ａの吸着特性を示す図であり、
【図３】第１実施形態における可燃性ガス濃縮装置の動作の示すフロー図であり、
【図４】メタンガス吸着工程における排ガスＯＧ中のメタン濃度の変化を、経過時間との関係で示すグラフ図であり、
【図５】メタンガス脱着工程における濃縮後のメタンガスＰＧ中のメタン濃度の変化を、経過時間との関係で示すグラフ図であり、
【図６】メタンガス脱着工程における濃縮後のメタンガスＰＧ中のメタン濃度の変化を、吸着塔２内の圧力との関係で示すグラフ図であり、
【図７】第２実施形態の可燃性ガス濃縮装置の構成を示す概略構成図であり、
【図８】第２実施形態における可燃性ガス濃縮装置の動作の示すフロー図であり、
【図９】第２実施形態における各メタン濃度のパージガス量と濃縮後のメタンガスＰＧのメタン濃度との関係を示すグラフ図であり、
【図１０】第３実施形態の可燃性ガス濃縮装置の構成を示す概略構成図であり、
【図１１】第３実施形態の可燃性ガス濃縮装置の動作を示すフロー図であり、
【図１２】第３実施形態の可燃性ガス濃縮装置の動作を示すフロー図であり、
【図１３】第４〜第６実施形態の可燃性ガス濃縮装置の構成を示す概略構成図であり、
【図１４】第５実施形態における炭鉱ガスＧのメタン濃度と濃縮後のメタンガスＰＧのメタン濃度との関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置１００（以下、本装置１００と略称する）の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１は、本装置１００の概略構成を示す図である。具体的には、本装置１００は、図１に示すように吸着材３を充填した吸着塔２と、原料ガスＧを供給するとともに排ガスＯＧを放出する供給手段４と、濃縮後（高濃度）の可燃性ガスＰＧを収集する収集手段５と、供給手段４および収集手段５を制御する制御手段６と、吸着塔２内の吸着材３における可燃性ガスの吸着完了を検出する吸着完了検出手段７とを備えて構成される。
なお、詳細は後述するが、本装置１００が炭鉱に設置される場合には、上記供給手段４としては、送風機（ブロアー）４ａが用いられる。すなわち、炭鉱内から発生する炭鉱ガス（原料ガスＧ）を吸引し、当該原料ガスＧを圧縮せずに、送風機４ａにより実質的に大気圧にて吸着塔２へ供給できることとなる。上記収集手段５としては、真空ポンプ５ａが用いられる。【００４４】
吸着塔２は、可燃性ガスを吸着することができる吸着材３が充填されており、吸着塔２に供給された原料ガスＧ内の可燃性ガスを選択的に吸着することができるよう構成されている。
ここで、原料ガスＧは、可燃性ガスと空気とを含むガスであるが、例えばメタンガスと空気とを含む炭鉱ガスとすることもできる。また、可燃性ガスとしては、可燃性の気体であれば特に制限されないが、例えば炭鉱ガスに含まれるメタンガスとすることもできる。以下においては、原料ガスＧを炭鉱ガスＧとし、原料ガスＧには可燃性ガスとしてのメタンガスと空気とを含むものとして説明する。なお、炭鉱ガスＧとは炭鉱から発生するガスであり、条件により異なるが、炭鉱ガスＧ中には、メタンガス２０〜４０Ｖｏｌ％程度、空気（主として窒素ガス、酸素ガスが含まれる）６０〜８０Ｖｏｌ％程度が含まれている。【００４５】
吸着材３は、可燃性ガスを選択的に吸着できれば、特に制限されないが、吸着材３として、ＭＰ法による平均細孔直径が４．５〜１５Åで、かつ大気圧および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｃｃ／ｇ以上である活性炭、ゼオライト、シリカゲルおよび有機金属錯体（フマル酸銅、テレフタル酸銅、シクロヘキサンジカルボン酸銅など）からなる群から選択される少なくとも一つであるメタン吸着材３ａを用いるとよい。なお、上記平均細孔直径として好ましくは、４．５〜１０Å、より好ましくは、５〜９．５Åがよく、また、上記メタン吸着量が好ましくは、２５Ｎｃｃ／ｇ以上がよい。例えば、このような活性炭は、椰子殻または椰子殻炭を窒素ガス中において６００℃で完全に炭化した炭化物を粒径１〜３ｍｍの大きさに破砕したものを炭素質材料とし、内径５０ｍｍのバッチ式流動賦活炉を用いて、水蒸気１０〜１５Ｖｏｌ％、二酸化炭素１５〜２０Ｖｏｌ％および残余が窒素である雰囲気下において、８６０℃で賦活することにより得られる。【００４６】
このように、吸着材３として大気圧及び２９８Ｋ下においてメタンガスを選択的に吸着できるメタン吸着材３ａを用いることで、当該メタン吸着材３ａに大気圧及び２９８Ｋ下でも充分にメタンガスを吸着することができる。【００４７】
すなわち、大気圧および２９８Ｋ下におけるメタン吸着量が２０Ｎｃｃ／ｇより低いと、低圧（特に大気圧程度）でのメタン吸着性能が低下して、濃縮後のメタンガスのメタン濃度が低下するとともに、吸着性能を維持するには、メタン吸着材３ａの増量が必要となり装置が大型化する。なお、上記メタン吸着量の上限は特に制限されないが、現状で得られるメタン吸着材３ａのメタン吸着量は４０Ｎｃｃ／ｇ以下程度である。
また、ＭＰ法における平均細孔直径が４．５Åより小さいと、酸素ガス、窒素ガスの吸着量が増え、濃縮後におけるメタンガス中のメタン濃度が低下したり、平均細孔直径がメタン分子径に近くなり吸着速度が遅くなってメタン吸着性能が低下したり、吸着しなくなる。一方、ＭＰ法における平均細孔直径が１５Åより大きいと、低圧（特に大気圧程度）でのメタン吸着性能が低下して、濃縮後のメタンガスのメタン濃度が低下するとともに、吸着性能を維持するには、メタン吸着材３ａの増量が必要となり装置が大型化する。
したがって、ＭＰ法による平均細孔直径が４．５〜１５Åで、かつ大気圧および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｃｃ／ｇ以上である活性炭、ゼオライト、シリカゲルおよび有機金属錯体からなる群から選択される少なくとも一つであるメタン吸着材３ａが良い。【００４８】
さらに、上記メタン吸着材３ａが、ＨＫ法における平均細孔直径の１０Å以下の細孔容積が、全細孔容積の５０％以上であるとよく、好ましくは、７０％以上、より好ましくは、８０％以上がよい。この場合、メタンガスを選択的に吸着することができる平均細孔直径が１０Å以下である細孔容積が全細孔容積の５０％以上を占めているため、大気圧下（０．１ＭＰａ程度）におけるメタンガスの吸着可能量を増大させて、大気圧下であっても充分にメタンガスを吸着することができる。すなわち、図２に示すように、上記平均細孔直径が１０Å以下のメタン吸着材３ａでは、１０Åよりも平均細孔直径が大きいメタン吸着材３ｂと比較して、大気圧下（０．１ＭＰａ程度）におけるメタン吸着量が多く、本装置１００のように、基本的に大気圧下においてメタンガスを吸着させる場合に好適に用いることができる。なお、実質的には、計測できる範囲である平均細孔直径が４Å以上１０Å以下の細孔容積が、全細孔容積の５０％以上であればよい。また、より好ましくは、平均細孔直径が４．５Å以上１０Å以下の細孔容積が、全細孔容積の５０％以上であることがメタン吸着材３ａとして好ましい。【００４９】
一方、上記メタン吸着材３ａが、７７Ｋ下での窒素吸着量において、ＨＫ法による１０Åの平均細孔直径に対応する相対圧０．０１３下での窒素吸着量が、全細孔容積に対応する相対圧０．９９下での窒素吸着量の５０％以上であるとよく、好ましくは、７０％以上、より好ましくは、８０％以上がよい。この場合、相対圧０．９９における吸着量は全細孔容積を、相対圧０．０１３における吸着量は１０Å以下の細孔容積を示し、それぞれの値の比は上記と同じように１０Å以下の細孔の割合が多いことを示している。その結果として、メタンガスと空気との混合ガスを原料ガスとする場合も、大気圧付近でのメタンガスの濃縮を容易にかつ、効率よく行なうことができる。【００５０】
また、吸着塔２には、後述する供給手段４により供給される炭鉱ガスＧの通り道である供給路３０、後述する供給手段４により供給された炭鉱ガスＧのうち吸着材３に吸着されなかった排ガスＯＧの通り道である放出路３１、後述する収集手段５により収集される濃縮後の高濃度のメタンガスＰＧの通り道である収集路３２がそれぞれ接続されている。【００５１】
また、炭鉱ガスＧが供給される供給路３０には、炭鉱ガスＧの供給を調整可能な供給路切替弁４０が設けられ、後述する制御手段６の制御により炭鉱ガスＧの供給を調整することができる。
排ガスＯＧが放出される放出路３１には、排ガスＯＧの放出を調整可能な放出路切替弁４１が設けられ、後述する制御手段６の制御により排ガスＯＧの放出を調整することができる。
濃縮後のメタンガスＰＧの収集の際に通過する収集路３２には、濃縮後のメタンガスＰＧの通過を調整可能な収集路切替弁４２が設けられ、後述する制御手段６の制御により濃縮後のメタンガスＰＧの通過を調整することができる。
これら供給路切替弁４０、放出路切替弁４１、収集路切替弁４２の具体的な調整動作は、制御手段６による開閉操作であるが、この開閉操作については後述する。【００５２】
供給手段４は、供給路３０上に設けられており、炭鉱ガスＧを供給路３０を通じて吸着塔２に供給して、吸着塔２内のメタン吸着材３ａに炭鉱ガスＧ中のメタンガスを吸着させる手段であり、炭鉱ガスＧを昇圧することなく供給できれば、特に制限されるものではないが、例えば送風機４ａを用いることができる。
また、供給手段４は、その動作上、吸着塔２に供給された炭鉱ガスＧのうちメタン吸着材３ａに吸着されなかった排ガスＯＧを、放出路３１を通じて吸着塔２の外部空間に放出させる手段でもある。
すなわち、供給手段４は、炭鉱ガスＧを昇圧することなく大気圧付近で吸着塔２内に送り込み、炭鉱ガスＧ中のメタンガスを吸着させつつ、排ガスＯＧ（メタン濃度の非常に低い、主に窒素ガス、酸素ガスからなるガス）を放出路３１を通じて放出することができる。【００５３】
収集手段５は、吸着塔２内のメタン吸着材３ａに吸着されたメタンガスを、吸着塔２内の圧力を大気圧よりも低く減圧して脱着させ、この脱着された濃縮後の高濃度のメタンガスＰＧを収集路３２を通じて収集して、貯蔵タンク８に当該高濃度のメタンガスＰＧを貯蔵する手段である。具体的には、収集手段５は、吸着塔２内を減圧できる手段であれば特に制限されるものではないが、例えば真空ポンプ５ａを用いることができる。【００５４】
吸着完了検出手段７は、吸着塔２内のメタン吸着材３ａのメタン吸着能力が限界に達した時点、すなわちメタンガス吸着完了時点（破過時点）を検出する手段であり、例えばメタン濃度検出手段７ａにより構成される。当該吸着完了検出手段７としてのメタン濃度検出手段７ａは、吸着塔２に接続された放出路３１に設けられ、当該放出路３１に放出された排ガスＯＧのメタン濃度が所定の濃度になった時点を上記メタンガス吸着完了時点として検出して、検出結果を後述する制御手段６に送信する。これにより、排ガスＯＧ中にメタンガスが所定濃度で検出されたような場合には、メタン吸着材３ａのメタン吸着性能が限界に達しており、早期に炭鉱ガスＧの供給を停止して、当該メタン吸着材３ａからメタンガスを脱着させるべきであると判断することができる。【００５５】
貯蔵タンク８は、濃縮後の高濃度のメタンガスＰＧを安全に貯蔵することができるものであればよく、吸着式ガスタンクを使用するとより好ましい。【００５６】
制御手段６は、メモリ等からなる記憶媒体、ＣＰＵ、入出力部を備えたマイクロコンピュータで構成され、このコンピュータが所定のプログラムを実行することにより、供給手段４、収集手段５、吸着完了検出手段７、供給路切替弁４０、放出路切替弁４１、収集路切替弁４２などを制御することができる。【００５７】
次に、図３を用いて、具体的に、本装置１００によりメタンガスを濃縮する動作について説明する。本装置１００は、概略すると、Ａ：メタンガス吸着工程、Ｂ：メタンガス脱着工程を実行する。【００５８】
まず、供給路切替弁４０、放出路切替弁４１、収集路切替弁４２を閉じておいた状態から、供給路切替弁４０、放出路切替弁４１を開く（ステップ１）。【００５９】
そして、送風機４ａにより、炭鉱ガスＧを供給路３０を通じて吸着塔２内に供給してメタンガスをメタン吸着材３ａに吸着させ、吸着塔２内に供給された炭鉱ガスＧのうちメタン吸着材３ａに吸着されなかった排ガスＯＧを、放出路３１を通じて吸着塔２の外部空間に放出する（ステップ２）。これら、ステップ１〜ステップ２がメタンガス吸着工程である。【００６０】
これにより、炭鉱ガスＧを大気圧下で吸着塔２内に供給して、メタンガスを吸着材３ａに選択的に吸着させつつ、排ガスＯＧ内に貴重なメタンガスが流出するのを防止することができる。すなわち、図４に示すように、所定の時間が経過するまでは、ほぼ完全にメタンガスが吸着されて吸着塔２の外部に流出することはなく、排ガスＯＧ中のメタン濃度は非常に低いため、爆発範囲外の濃度となっている。【００６１】
次に、メタン濃度検出手段７ａにより、放出路３１に放出された排ガスＯＧ中のメタンガス濃度が所定の濃度以上であるかを検出する（ステップ３）。検出されたメタン濃度が所定の濃度以上でない場合には、ステップ２に戻って炭鉱ガスＧの供給を継続する。一方、検出されたメタン濃度が所定の濃度以上である場合には、炭鉱ガスＧの吸着塔２への供給を停止する（ステップ４）。【００６２】
これにより、メタン吸着材３ａのメタンガス吸着完了時点を知ることができ、メタンガスが含まれる炭鉱ガスＧが吸着塔２内から外部に放出されるのを極力防止することができるとともに、メタンガス脱着工程に適切に移行することができる。
具体的には、図４に示すように、メタンガス吸着工程を実行している経過時間が所定の経過時間となるまでは排ガスＯＧ中のメタン濃度は、非常に低濃度に保たれているが、メタン吸着材３ａがメタン吸着限界（破過）に達した場合には、急激にメタン濃度が上昇する。これを利用して吸着塔２内のメタン吸着材３ａが吸着限界に達したか否かを判断することができる。【００６３】
次に、吸着塔２内への炭鉱ガスＧの供給を停止した後、供給路切替弁４０および放出路切替弁４１を閉じて、収集路切替弁４２を開く（ステップ５）。そして、真空ポンプ５ａにより、吸着塔２内を大気圧よりも低く減圧して、吸着されたメタンガスを吸着材３ａから脱着させつつ、この濃縮後の高濃度のメタンガスＰＧの収集路３２を通じた収集を開始し（ステップ６）、貯蔵タンク８に貯蔵する。吸着塔２内を所定の圧力まで減圧すると、濃縮後のメタンガスＰＧの収集を停止して（ステップ７）、収集路切替弁４２を閉じる（ステップ８）。これら、ステップ５〜ステップ８がメタンガス脱着工程である。【００６４】
これにより、吸着材３ａにメタンガスを吸着させて、排ガスＯＧ中のメタン濃度を低減させつつ、メタンガスを高濃度に濃縮することができ、排ガスＯＧおよび濃縮後のメタンガスＰＧが爆発範囲内の濃度となることを防止できる。
すなわち、図５に示すように、メタンガス脱着工程の開始からメタンガス脱着工程の終了までおいては、時間が経過するにつれ、濃縮後のメタンガスＰＧ中のメタン濃度が上昇している。これと同様に、図６に示すように、上記時間が経過するにつれ、吸着塔２内の圧力が大気圧から徐々に真空付近まで減圧され、これに伴い濃縮後のメタンガスＰＧ中のメタン濃度が上昇している。換言すると、メタンガス脱着工程において減圧を行い、ある程度時間が経過して吸着塔２内が真空に近づいていくと、これにつれて収集される濃縮後のメタンガスＰＧのメタン濃度は上昇していく事がわかる。したがって、濃縮後のメタンガスＰＧ中のメタン濃度は、非常に濃い状態となり、爆発範囲内の濃度となることを防止できることとなる。なお、排ガスＯＧについても、上述のとおり、メタン濃度は低濃度に保たれており、爆発範囲内の濃度となることを防止できる。【００６５】
次に、放出路切替弁４１を開いて、吸着塔２内に放出路３１を通じて空気を供給し（ステップ９）、その後放出路切替弁４１を閉じる（ステップ１０）。【００６６】
これにより、吸着塔２内の圧力を大気圧付近にまで昇圧して、後に実行されるメタンガス吸着工程において、メタンガスを吸着し易くすることができる。【００６７】
以上説明してきた実施形態では、大気圧下において、炭鉱ガスＧからメタンガスをメタン吸着材３ａに効率よく吸着させ、製品ガスとしての濃縮後のメタンガスＰＧを高濃度に、かつ安全に精製することができるとともに、排ガスＯＧが爆発範囲内の濃度となることを防止できることとなる。
以下に、本装置１００を実際に動作させて、濃縮後の高濃度のメタンガスＰＧを精製した場合の具体例を示す。【００６８】
〔実施例１〕
吸着塔２として円筒状の容積が０．３３３Ｌの容器を用い、当該吸着塔２内にメタン吸着材３ａを２０６．７ｇ充填する。〔表１〕、〔表２〕に示すように、メタン吸着材３ａとして、ＭＰ法による平均細孔直径８．５Å、全細孔容積に対するＨＫ法における平均細孔直径の１０Å以下の細孔容積の割合８３％（相対圧０．０１３下での窒素吸着量割合は同じ）、比表面積１０２５ｍ2／ｇ、全細孔容積０．４５ｍｌ／ｇ、大気圧および２９８Ｋ下におけるメタン吸着量２７Ｎｃｃ／ｇの活性炭を用いた。【００６９】
次に、予め空気を排出しながら真空乾燥させて、不純物を排除した吸着塔２内に大気圧まで空気を充填しておく。この際吸着塔２内には、空気１．８７Ｌ（酸素０．３９Ｌ、窒素１．４８Ｌ）が存在していた。
そして、この吸着塔２内に、大気圧下において送風機４ａにより、模擬炭鉱ガスＧとしてメタン２１．０５％、空気７８．９５％の混合ガスを供給した。この際の供給速度は、２Ｌ／Ｍであった。この際の吸着塔２内の圧力は、３．６ＫＰａであった。
この炭鉱ガスＧの供給を、図４に示すように、メタン吸着材３ａが吸着限界（破過）となって排ガスＯＧ中のメタン濃度が５Ｖｏｌ％になるまで、約１９０秒間行った。
この炭鉱ガスＧの供給に伴い、排ガスＯＧが５．４８Ｌ（メタンガス０．０１Ｌ、酸素と窒素併せて５．４７Ｌ）放出された。
一方、真空ポンプ５ａにより吸着塔２内を、−９７ＫＰａまで減圧して、濃縮後のメタンガスＰＧを２．３７Ｌ（メタンガス１．０８Ｌ（平均メタン濃度４５．６Ｖｏｌ％）、酸素０．２５Ｌ（平均酸素濃度１０．４Ｖｏｌ％）、窒素１．０４Ｌ）を得た。【００７０】
結果、図４に示すように、メタン吸着材３ａが吸着限界（破過）に達するまでは排ガスＯＧ中のメタン濃度が極端に低く抑えられ、排ガスＯＧが爆発範囲内の濃度となることを防止できることがわかる。また、濃縮後のメタンガスＰＧ中の酸素ガス濃度は平均１０．４Ｖｏｌ％と爆発濃度範囲内にかろうじて含まれているものの、メタン濃度は平均４５．６Ｖｏｌ％と高濃度であり、爆発範囲内の濃度となることが防止されている。これは、図６に示すように、吸着塔２を真空状態にまで減圧することで、高濃度のメタンガスを得ることができることによる。そして、図５に示すように、メタン濃度は経時的にも２０Ｖｏｌ％以上であり、爆発範囲内の濃度となることが防止されている。【００７１】
〔比較例１〕
吸着塔２内に酸素吸着材としてのモレキュラーシーブカーボンを充填して、炭鉱ガスから酸素を吸着してメタンガスを濃縮することとして、吸着シミュレーターにより計算を行った。炭鉱ガスに相当するガス（メタンガス（２１Ｖｏｌ％）、酸素（１７Ｖｏｌ％）、窒素（６２Ｖｏｌ％）が含まれる）を、吸着塔２内に供給速度４０００ｍ3／Ｈで供給した。供給時の吸着塔２内は、圧力０．６ＭＰａ、温度３０℃であった。なお、この比較例１は、先に説明した特許文献１の技術を模擬したものである。
吸着塔２からは、メタンガス（平均メタン濃度１８．８Ｖｏｌ％）、酸素（平均酸素濃度２５．６Ｖｏｌ％）、窒素が含まれる排ガスが放出された。
また、吸着塔２から、濃縮後のガスとしてメタンガス（メタン濃度２３Ｖｏｌ％）、酸素（酸素濃度８．４Ｖｏｌ％）、窒素が含まれる濃縮後のメタンガスが放出された。
この結果について、メタンガスの濃縮および酸素濃度の低下による爆発の可能性の検討を行うと、濃縮後のメタンガス中の酸素濃度は低下して、１０Ｖｏｌ％以下となり爆発範囲内の濃度となることを防止しているものの、メタンガスの濃縮は非常に少ない。一方、排ガス中の平均酸素濃度が上昇して、逆に爆発範囲内の濃度に近づき好ましくない。また、経時的には排ガス中の平均メタン濃度が爆発範囲内に入るおそれがある。【００７２】
したがって、上述のように、実施例１に記載の本装置１００では、比較例１に記載したような爆発範囲内の濃度となることを防止しているため、安全にメタンガスを濃縮することができる。【００７３】
次に、好ましいメタン吸着材３ａとして活性炭を使用する場合の活性炭の物性とメタン吸着量との関係を〔表１〕、〔表２〕に示す。【００７４】
〔実施例１〜７〕
〔表１〕、〔表２〕に、メタン吸着材３ａとして上記実施例１の活性炭に加え、実施例２〜７に記載された活性炭を用いた場合における、本装置１００により得られた製品ガスとしての高濃度のメタンガスＰＧ中のメタン濃度、当該メタンガスＰＧ中の酸素濃度を示す。これら活性炭は何れも、ＭＰ法における平均細孔直径が４．５〜１５Å内であるとともに、大気圧（０．１ＭＰａ）および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｃｃ／ｇ以上であり、さらにＨＫ法における平均細孔直径の１０Å以下の細孔容積が、全細孔容積の５０Ｖｏｌ％以上であるメタンガスの吸着性能が非常に高い活性炭である。
これら実施例１〜７の活性炭を用いた場合には、製品ガスとしての高濃度のメタンガスＰＧの濃度は、最も低いものでも３７．５Ｖｏｌ％であり、当該メタンガスＰＧ中の酸素濃度は最高でも、１１．８Ｖｏｌ％である。したがって、製品ガスが爆発範囲内の濃度となることは、限りなく防止されていることがわかる。
【表１】
2008053680.tif 000003
【表２】
2008053680.tif 000004
〔比較例２〕
一方、比較例２として、〔表１〕、〔表２〕に、ＭＰ法における平均細孔直径が４．５〜１５Å内であるが、大気圧（０．１ＭＰａ）および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｃｃ／ｇより低く、ＨＫ法における平均細孔直径の１０Å以下の細孔容積が、全細孔容積の５０Ｖｏｌ％より低い活性炭を用いた場合における、本装置１００により得られた製品ガスとしての高濃度のメタンガスＰＧ中のメタン濃度、当該メタンガスＰＧ中の酸素濃度を示す。
比較例２に記載の活性炭を用いた場合には、製品ガスとしてのメタンガスＰＧ中のメタン濃度は、３２．２Ｖｏｌ％であり、爆発範囲内の濃度ではないが、酸素濃度が、１３．２Ｖｏｌ％であり、上記実施例１〜７に比べ爆発の可能性のある爆発範囲内の濃度となっている。【００７５】
〔比較例３〕
また、比較例３として、〔表１〕、〔表２〕に、ＭＰ法における平均細孔直径が４．５〜１５Åの範囲外であって、大気圧（０．１ＭＰａ）および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｃｃ／ｇより低く、ＨＫ法における平均細孔直径の１０Å以下の細孔容積が、全細孔容積の５０Ｖｏｌ％以上である活性炭を用いた場合における、本装置１００により得られた製品ガスとしての高濃度のメタンガスＰＧ中のメタン濃度、当該メタンガスＰＧ中の酸素濃度を示す。
比較例３に記載の活性炭を用いた場合には、製品ガスとしてのメタンガスＰＧ中のメタン濃度は、８．５Ｖｏｌ％であり、酸素濃度が、３１．２Ｖｏｌ％であるため両濃度ともに爆発範囲内であり、上記実施例１〜７に比べ爆発の可能性が非常に高いものとなっている。【００７６】
したがって、上述のように、実施例１〜７に記載の活性炭をメタン吸着材３ａとして用いた本装置１００では、比較例２および３に記載したような爆発範囲内の濃度となることを防止できるため、安全にメタンガスを濃縮することができる。【００７７】
次に、原料ガスＧ中のメタン濃度を変化させた場合に、得られる製品ガス中のメタン濃度と酸素濃度の関係を以下に示す。【００７８】
上記実施例１と同様の活性炭を用いて本装置１００により、炭鉱ガスＧの濃度を変化させて、高濃度のメタンガスＰＧ（製品ガス）を得た。すなわち、これまで説明した原料ガスＧのメタン濃度は、約２１Ｖｏｌ％であったが、このメタン濃度を３０Ｖｏｌ％、４０Ｖｏｌ％とした。
結果、メタン濃度が３０Ｖｏｌ％の炭鉱ガスＧを供給した場合には、一回の吸着・脱着操作で、製品ガス中のメタン濃度は５７Ｖｏｌ％、酸素濃度は８Ｖｏｌ％であった。また、メタン濃度が４０Ｖｏｌ％の炭鉱ガスＧを供給した場合には、製品ガス中のメタン濃度は６８Ｖｏｌ％、酸素濃度は６Ｖｏｌ％であった。
したがって、供給する炭鉱ガスＧのメタン濃度が変化しても、製品ガス中のメタン濃度が爆発範囲外であるだけでなく、酸素濃度も１０Ｖｏｌ％以下であって爆発範囲外となり、上記実施例１の活性炭を用いた本装置１００は、メタンガスを安全に濃縮できることが確認できた。【００７９】
なお、〔表２〕に示すように、実施例１〜７に記載の活性炭は、比較例２および３に記載の活性炭と比較して、メタン濃度が５Ｖｏｌ％となるまでの炭鉱ガスＧの処理量が多いため、メタンガス吸着性能に優れ、本装置１００に用いてメタンガスの濃縮に用いると非常に処理効率がよいことが判明した。【００８０】
［第２実施形態］
上記第１実施形態では、本装置１００を、可燃性ガス吸着工程および可燃性ガス脱着工程を順次実行するものとして構成したが、以下のように可燃性ガス吸着工程の終了後、可燃性ガス脱着工程前に、パージ工程などを実行するものとして構成することもできる。
このように、パージ工程などを実行する場合は、本装置１００の構成に加えて、以下のように本装置２００を構成することができる。なお、上記第１実施形態と同様の構成および実施例等については説明を省略する。【００８１】
すなわち、図７に示す本装置２００は、本装置１００の構成に加えて、後述するパージ工程において、濃縮後の高濃度のメタンガスＰＧが貯蔵された貯蔵タンク８から吸着塔２内へ、当該高濃度のメタンガスＰＧが流通する際に通過するパージ路３３を備える。
また、放出路３１と供給路３０との間には、後述するパージ工程において、吸着塔２内から放出路３１を通じて放出される濃縮後のメタンガスＰＧと吸着塔２内の排ガスＯＧとを、供給路３０に再度流通させるためのパージガス回収路３４が設けられている。【００８２】
上記パージ路３３には、濃縮後のメタンガスＰＧの流通を調整可能なパージ路切替弁４３が設けられ、後述する制御手段６の制御により濃縮後のメタンガスＰＧの流通を調整することができる。
また、上記パージガス回収路３４には、パージガス回収路切替弁４４が設けられ、後述する制御手段６の制御により濃縮後のメタンガスＰＧおよび排ガスＯＧの再流通を調整することができる。【００８３】
次に、図８を用いて、具体的に、本装置２００によりメタンガスを濃縮する動作について説明する。本装置２００は、概略すると、Ａ：メタンガス吸着工程、Ｂ：パージ工程、Ｃ：再流通工程、Ｄ：メタンガス脱着工程を順次実行する。【００８４】
まず、供給路切替弁４０、放出路切替弁４１、収集路切替弁４２、パージ路切替弁４３、パージガス回収路切替弁４４を閉じておいた状態から、次に供給路切替弁４０、放出路切替弁４１を開く（ステップ１）。【００８５】
そして、送風機４ａにより、炭鉱ガスＧを供給路３０を通じて吸着塔２内に供給してメタンガスをメタン吸着材３ａに吸着させ、吸着塔２内に供給された炭鉱ガスＧのうちメタン吸着材３ａに吸着されなかった排ガスＯＧを、放出路３１を通じて吸着塔２の外部空間に放出する（ステップ２）。これら、ステップ１〜ステップ２がメタンガス吸着工程である。
これにより、炭鉱ガスＧを大気圧下で吸着塔２内に供給して、メタンガスを吸着材３ａに選択的に吸着させつつ、排ガスＯＧ内に貴重なメタンガスが流出するのを防止することができる。すなわち、図４に示すように、所定の時間が経過するまでは、ほぼ完全にメタンガスが吸着されて吸着塔２の外部に流出することはなく、排ガスＯＧ中のメタン濃度は非常に低いため、爆発範囲外の濃度となっている。【００８６】
次に、メタン濃度検出手段７ａにより、放出路３１に放出された排ガスＯＧ中のメタンガス濃度が所定の濃度以上であるかを検出する（ステップ３）。検出されたメタン濃度が所定の濃度以上でない場合には、ステップ２に戻って炭鉱ガスＧの供給を継続する。一方、検出されたメタン濃度が所定の濃度以上である場合には、炭鉱ガスＧの吸着塔２への供給を停止する（ステップ４）。【００８７】
これにより、メタン吸着材３ａのメタンガス吸着完了時点を知ることができ、メタンガスが含まれる炭鉱ガスＧが吸着塔２内から放出されるのを極力防止することができるとともに、後に実行されるパージ工程、再流通工程、メタンガス脱着工程に適切に移行することができる。
具体的には、図４に示すように、メタンガス吸着工程を実行している経過時間が所定の経過時間となるまでは排ガスＯＧ中のメタン濃度は、非常に低濃度に保たれているが、メタン吸着材３ａがメタン吸着限界（破過）に達した場合には、急激にメタン濃度が上昇する。これを利用して吸着塔２内のメタン吸着材３ａが吸着限界に達したか否かを判断することができる。【００８８】
次に、炭鉱ガスＧの吸着塔２内への供給を停止した後、パージ路切替弁４３を開くとともに、供給路切替弁４０を閉じて（ステップ５）、貯蔵タンク８から濃縮済みの高濃度のメタンガスＰＧをパージ路３３を通じて吸着塔２内に流通させる（ステップ６）。これら、ステップ５およびステップ６が、パージ工程である。【００８９】
これにより、吸着塔２内のメタンガスがほとんど存在していないガス（排ガスＯＧ：主に、窒素ガス、酸素ガスからなる）を放出路３１に追い出して、吸着塔２内のメタン濃度を上昇させ、後に収集される濃縮後のメタンガスＰＧの濃度の低下を防止することができる。すなわち、吸着塔２内に残存している窒素ガスや酸素ガス等、特に、メタン吸着材３ａの隙間に残存しているこれらガスを追い出すことで、高濃度なメタンガスＰＧの精製が可能となる。【００９０】
次に、上記排ガスＯＧがほぼ追い出された後、吸着塔２内に流通された濃縮後のメタンガスＰＧが放出路３１に放出されて、放出路３１におけるメタン濃度が所定の濃度以上に上昇したか否かをメタン濃度検出手段７ａにより検出する（ステップ７）。所定の濃度以上でない場合には、ステップ６に戻り、吸着塔２内への濃縮後のメタンガスＰＧの流通を継続する。一方、放出路３１におけるメタン濃度が所定の濃度以上である場合には、供給路切替弁４０、パージガス回収路切替弁４４を開くとともに、パージ路切替弁４３、放出路切替弁４１を閉じる（ステップ８）。このステップ８が再流通工程である。【００９１】
これにより、濃縮後のメタンガスＰＧが放出路３１から吸着塔２の外部空間に放出されてしまうのを防止するとともに、供給路３０から再度吸着塔２内に流通させて濃縮後のメタンガスＰＧの有効利用を図ることができる。【００９２】
次に、収集路切替弁４２を開くとともに、供給路切替弁４０、パージガス回収路切替弁４４を閉じる（ステップ９）。そして、真空ポンプ５ａにより吸着塔２内を大気圧よりも低く減圧して、吸着されたメタンガスをメタン吸着材３ａから脱着させつつ、この濃縮後のメタンガスＰＧの収集路３２を通じた収集を開始し（ステップ１０）、貯蔵タンク８に貯蔵する。吸着塔２内を所定の圧力まで減圧すると、濃縮後のメタンガスＰＧの収集を停止して（ステップ１１）、収集路切替弁４２を閉じる（ステップ１２）。これら、ステップ９〜ステップ１２がメタンガス脱着工程である。【００９３】
これにより、吸着材３ａにメタンガスを吸着させて、排ガスＯＧ中のメタン濃度を低減させつつ、メタンガスを高濃度に濃縮することができ、排ガスＯＧおよび濃縮後のメタンガスＰＧが爆発範囲内の濃度となることを防止できる。
すなわち、図５に示すように、メタンガス脱着工程の開始からメタンガス脱着工程の終了までおいては、時間が経過するにつれ、濃縮後のメタンガスＰＧ中のメタン濃度が上昇している。これと同様に、図６に示すように、上記時間が経過するにつれ、吸着塔２内の圧力が大気圧から徐々に真空付近まで減圧され、これに伴い濃縮後のメタンガスＰＧ中のメタン濃度が上昇している。換言すると、メタンガス脱着工程において減圧を行い、ある程度時間が経過して吸着塔２内が真空に近づいていくと、これにつれて収集される濃縮後のメタンガスＰＧのメタン濃度は上昇していく事がわかる。したがって、濃縮後のメタンガスＰＧ中のメタン濃度は、非常に濃い状態となり、爆発範囲内の濃度となることを防止できることとなる。なお、排ガスＯＧについても、上述のとおり、メタン濃度は低濃度に保たれており、爆発範囲内の濃度となることを防止できる。【００９４】
さらに、上記実施例と同様の条件において、本第２実施形態のように、さらにパージ工程や再流通工程を行うことにより、製品ガスとしてのメタンガスＰＧは、パージガス量に応じて平均メタン濃度約５０〜９９Ｖｏｌ％、平均酸素濃度約０．２〜１０Ｖｏｌ％まで高濃度に濃縮され、爆発範囲内の濃度となることを限りなく防止することができる。
実際に、上記メタンガス吸着工程終了後のパージ工程において、貯蔵タンク８から濃縮済みの高濃度のメタンガスＰＧをパージガスとして、パージ路３３を通じて吸着塔２内に流通させる際に、当該パージガスのメタン濃度及びパージガス量を変化させてみた。この場合において吸着塔２に吸着されたメタンガスを、当該吸着塔２内を減圧することによりメタン吸着材３ａから脱着して、収集路３２を通じて貯蔵タンク８に貯蔵された製品ガスとしての濃縮後のメタンガスＰＧのメタン濃度を測定した。その結果を、図９に示す。図９は、パージガスのメタン濃度を５０、６０、７０Ｖｏｌ％にそれぞれ変化させた場合における、パージガス量と製品ガスとしての高濃度のメタンガスＰＧのメタン濃度との関係を示す図である。
結果、明らかに、上記第１実施形態の表２に示す製品ガス中のメタン濃度（最高でも４５．６Ｖｏｌ％）よりも、パージ工程を行うことにより製品ガス中のメタン濃度が向上することが判明した。また、よりメタン濃度の高いパージガスを用いることで製品ガス中のメタン濃度も高くなり、より高濃度に濃縮可能なことも実証された。よって、濃縮後のメタンガスＰＧ（製品ガス）中のメタン濃度は、非常に濃い状態となり、爆発範囲内の濃度となることを防止できることとなる。【００９５】
次に、放出路切替弁４１を開いて、吸着塔２内に放出路３１を通じて空気を供給し（ステップ１３）、その後放出路切替弁４１を閉じる（ステップ１４）。【００９６】
これにより、吸着塔２内の圧力を大気圧付近にまで昇圧して、後に実行されるメタンガス吸着工程において、メタンガスを吸着し易くすることができる。【００９７】
以上説明してきた実施形態では、大気圧下において、炭鉱ガスＧからメタンガスをメタン吸着材３ａに効率よく吸着させ、製品ガスとしての濃縮後のメタンガスＰＧを、より高濃度に、かつ安全に精製することができるとともに、排ガスＯＧが爆発範囲内の濃度となることを防止できることとなる。【００９８】
[第３実施形態]
上記第２実施形態では、本装置２００を、単一の吸着塔２を用いて構成したが、以下のように、複数の吸着塔２を用いて本装置３００を構成することもできる。
そして、第３実施形態の本装置３００では、第２実施形態の本装置２００に加えて、複数の吸着塔２間における均圧工程を実行するものとして構成する。【００９９】
このように、複数の吸着塔２間で均圧工程を実行する場合は、本装置２００の構成に加えて、以下にように本装置３００を構成することができる。なお、上記第２実施形態と同様の構成および実施例等については説明を省略する。【０１００】
すなわち、図１０に示す本装置３００は、本装置２００の構成に加えて、吸着塔２を複数組み合わせて構成される。ここでは、説明の簡単のため、吸着塔２が、３塔存在する場合について以下に説明し、それぞれの吸着塔２を吸着塔２ａ、２ｂ、２ｃと称する。【０１０１】
図１０に示すように、本装置３００には、上記３塔の吸着塔２ａ、吸着塔２ｂ、吸着塔２ｃ間を、それぞれ連通する吸着塔間連通路３５が設けられ、当該吸着塔間連通路３５には吸着塔間連通路切替弁４５がそれぞれ設けられる。【０１０２】
次に、図１１および図１２を用いて、具体的に、本装置３００によりメタンガスを濃縮する動作について説明する。
概略すると、下記〔表３〕に示すように、吸着塔２ａ、２ｂ、２ｃの全てが、Ａ〜Ｆの順に各工程を並行して実行することとなっている。具体的には、本装置３００は、吸着塔２ａにおいて、Ａ：メタンガス吸着工程、Ｂ：均圧工程、Ｃ：パージ工程（再流通工程を含む）、Ｄ：インターバル、Ｅ：メタンガス脱着工程、Ｆ：均圧工程の順に動作し、これに対応し、吸着塔２ｂは、Ａ：パージ工程（再流通工程を含む）、Ｂ：インターバル、Ｃ：メタンガス脱着工程、Ｄ：均圧工程、Ｅ：メタンガス吸着工程、Ｆ：均圧工程の順に動作し、吸着塔２ｃは、Ａ：メタンガス脱着工程、Ｂ：均圧工程、Ｃ：メタンガス吸着工程、Ｄ：均圧工程、Ｅ：パージ工程（再流通工程を含む）、Ｆ：インターバルの順に動作する。
なお、下記〔表３〕においては、パージ工程には、再流通工程が含まれるものとして再流通工程を省略している。
【表３】
2008053680.tif 000005
【０１０３】
上記〔表３〕を前提に、図１１および図１２に基づいて、主に吸着塔２ａについて説明すると、まず、吸着塔２ａの供給路切替弁４０、放出路切替弁４１、収集路切替弁４２、パージ路切替弁４３、パージガス回収路切替弁４４、吸着塔間連通路切替弁４５を閉じておいた状態から、次に供給路切替弁４０、放出路切替弁４１を開く（ステップ１）。【０１０４】
そして、送風機４ａにより、炭鉱ガスＧを供給路３０を通じて吸着塔２ａ内に供給してメタンガスをメタン吸着材３ａに吸着させ、吸着塔２ａ内に供給された炭鉱ガスＧのうちメタン吸着材３ａに吸着されなかった排ガスＯＧを、放出路３１を通じて吸着塔２の外部空間に放出する（ステップ２）。これら、ステップ１〜ステップ２がメタンガス吸着工程である。【０１０５】
これにより、炭鉱ガスＧを大気圧下で吸着塔２ａ内に供給して、メタンガスを吸着材３ａに選択的に吸着させつつ、排ガスＯＧ内に貴重なメタンガスが流出するのを防止することができる。すなわち、図４に示すように、所定の時間が経過するまでは、ほぼ完全にメタンガスが吸着されて吸着塔２の外部に流出することはなく、排ガスＯＧ中のメタン濃度は非常に低いため、爆発範囲外の濃度となっている。【０１０６】
次に、メタン濃度検出手段７ａにより放出路３１に放出された排ガスＯＧ中のメタン濃度が所定の濃度以上であるかを検出する（ステップ３）。検出されたメタン濃度が所定の濃度以上でない場合には、ステップ２に戻って炭鉱ガスＧの供給を継続する。一方、検出されたメタン濃度が所定の濃度以上である場合には、炭鉱ガスＧの吸着塔２ａへの供給を停止する（ステップ４）。【０１０７】
これにより、メタン吸着材３ａのメタンガス吸着完了時点を知ることができ、メタンガスが含まれる炭鉱ガスＧが吸着塔２ａ内から放出されるのを極力防止することができるとともに、後に実行されるパージ工程、再流通工程、メタンガス脱着工程、均圧工程に適切に移行することができる。
具体的には、図４に示すように、メタンガス吸着工程を実行している経過時間が所定の経過時間となるまでは排ガスＯＧ中のメタン濃度は、非常に低濃度に保たれているが、メタン吸着材３ａがメタン吸着限界（破過）に達した場合には、急激にメタン濃度が上昇する。これを利用して吸着塔２ａ内のメタン吸着材３ａが吸着限界に達したか否かを判断することができる。【０１０８】
次に、供給路切替弁４０、放出路切替弁４１を閉じるとともに、吸着塔２ａと吸着塔２ｃとの間に設けられた吸着塔間連通路切替弁４５を開く（ステップ５）。このステップ５が均圧工程である。【０１０９】
これにより、メタンガス吸着工程が終了して圧力が大気圧付近となっている吸着塔２ａとメタンガス脱着工程が終了して圧力が真空付近となっている吸着塔２ｃとを連通して、吸着塔２ａ内のガスを吸着塔２ｃ内へ流通させて、吸着塔２ｃ内の圧力を上昇させ、後に行われるメタンガス吸着工程において良好にメタンガスを吸着することができる環境を作ることができる。また、均圧工程により、吸着塔２ａの圧力が下がり、圧力の高い状態のより薄いメタンガスが吸着塔２ｃに送り込まれたことにより吸着塔２ａから得られる製品ガスのメタン濃度がより高くなる。【０１１０】
次に、放出路切替弁４１、パージ路切替弁４３を開くとともに、吸着塔間連通路切替弁４５を閉じて（ステップ６）、貯蔵タンク８から濃縮済みの高濃度のメタンガスＰＧをパージ路３３を通じて吸着塔２ａ内に流通させる（ステップ７）。これら、ステップ６およびステップ７が、パージ工程である。【０１１１】
これにより、吸着塔２ａ内のメタンガスがほとんど存在していないガス（排ガスＯＧ：主に、窒素ガス、酸素ガスからなる）を放出路３１に追い出して、吸着塔２ａ内のメタン濃度を上昇させ、後に収集される濃縮後のメタンガスＰＧの濃度の低下を防止することができる。すなわち、吸着塔２ａ内に残存している窒素ガスや酸素ガス等、特に、メタン吸着材３ａの隙間に残存しているこれらガスを追い出すことで、高濃度なメタンガスＰＧの精製が可能となる。【０１１２】
次に、上記排ガスＯＧがほぼ追い出された後、吸着塔２ａ内に流通された濃縮後のメタンガスＰＧが放出路３１に放出されて、放出路３１におけるメタン濃度が所定の濃度以上に上昇したか否かを検出する（ステップ８）。所定の濃度以上でない場合には、ステップ７に戻り、吸着塔２ａ内への濃縮後のメタンガスＰＧの流通を継続する。一方、放出路３１におけるメタン濃度が所定の濃度以上である場合には、供給路切替弁４０、パージガス回収路切替弁４４を開くとともに、放出路切替弁４１を閉じ、回収された高濃度のメタンガスＰＧと炭鉱ガスＧを混合し、メタンガス吸着工程が行われている吸着塔２ｃに送る（ステップ９）。このステップ９が、再流通工程である。なお、放出路切替弁４１を開けずに最初からパージガス回収路３４を経由して回収された高濃度のメタンガスＰＧと炭鉱ガスＧを混合し、メタンガス吸着工程が行われている吸着塔２ｃに送ってもよい。【０１１３】
これにより、濃縮後のメタンガスＰＧが放出路３１から吸着塔２ａの外部空間に放出されてしまうのを防止するとともに、供給路３０から吸着塔２ｃ内に流通させて濃縮後のメタンガスＰＧの有効利用を図ることができる。【０１１４】
ここで、一旦インターバルをおき、メタンガス脱着工程に備える（ステップ１０）。この際、吸着塔２ｂと吸着塔２ｃとの間では、均圧工程が行われている。【０１１５】
次に、収集路切替弁４２を開くとともに、供給路切替弁４０、パージ路切替弁４３、パージガス回収路切替弁４４を閉じる（ステップ１１）。そして、吸着塔２ａ内を大気圧よりも低く減圧して、吸着されたメタンガスを吸着材３ａから脱着させつつ、この濃縮後のメタンガスＰＧの収集路３２を通じた収集を開始し（ステップ１２）、貯蔵タンク８に貯蔵する。吸着塔２ａ内を所定の圧力まで減圧すると、濃縮後のメタンガスＰＧの収集を停止して（ステップ１３）、収集路切替弁４２を閉じる（ステップ１４）。これら、ステップ１１〜ステップ１４がメタンガス脱着工程である。【０１１６】
これにより、吸着材３ａにメタンガスを吸着させて、排ガスＯＧ中のメタン濃度を低減させつつ、メタンガスを高濃度に濃縮することができ、排ガスＯＧおよび濃縮後のメタンガスＰＧが爆発範囲内の濃度となることを防止できる。
すなわち、図５に示すように、メタンガス脱着工程の開始からメタンガス脱着工程の終了までおいては、時間が経過するにつれ、濃縮後のメタンガスＰＧ中のメタン濃度が上昇している。これと同様に、図６に示すように、上記時間が経過するにつれ、吸着塔２ａ内の圧力が大気圧から徐々に真空付近まで減圧され、これに伴い濃縮後のメタンガスＰＧ中のメタン濃度が上昇している。換言すると、メタンガス脱着工程において減圧を行い、ある程度時間が経過して吸着塔２ａ内が真空に近づいていくと、これにつれて収集される濃縮後のメタンガスＰＧのメタン濃度は上昇していく事がわかる。したがって、濃縮後のメタンガスＰＧ中のメタン濃度は、非常に濃い状態となり、爆発範囲内の濃度となることを防止できることとなる。なお、排ガスＯＧについても、上述のとおり、メタン濃度は低濃度に保たれており、爆発範囲内の濃度となることを防止できる。
さらに、上記実施例において、さらにパージ工程や再流通工程を行うことにより、製品ガスとしてのメタンガスＰＧは、平均メタン濃度約５０〜９９Ｖｏｌ％、平均酸素濃度約０．２〜１０Ｖｏｌ％まで高濃度に濃縮され、爆発範囲内の濃度となることを限りなく防止することができる。【０１１７】
次に、吸着塔２ａと吸着塔２ｂとの間に設けられた吸着塔間連通路切替弁４５を開く（ステップ１５）。このステップ１５もまた、均圧工程である。その後、吸着塔２ａと吸着塔２ｂとが均圧になると、吸着塔間連通路切替弁４５を閉じる（ステップ１６）。【０１１８】
これにより、メタンガス脱着工程が終了して圧力が真空付近となっている吸着塔２ａとメタンガス吸着工程が終了して圧力が大気圧付近となっている吸着塔２ｂとを連通して、吸着塔２ａ内に吸着塔２ｂ内のガスを流通させて、吸着塔２ａ内の圧力を上昇させ、後に行われるメタンガス吸着工程において良好にメタンガスを吸着することができる環境を作ることができる。また、均圧工程により、吸着塔２ｂの圧力が下がり、圧力の高い状態のより薄いメタンガスが吸着塔２ａに送り込まれたことにより吸着塔２ｂから得られる製品ガスのメタン濃度がより高くなる。【０１１９】
以上説明してきた実施形態では、大気圧下において、炭鉱ガスＧからメタンガスをメタン吸着材３ａに効率よく吸着させ、製品ガスとしての濃縮後のメタンガスＰＧを、より高濃度に、かつ安全に精製することができるとともに、排ガスＯＧが爆発範囲内の濃度となることを防止できることとなる。
さらに、３塔の吸着塔２間において、均圧工程を行い、メタンガスの吸着を促進させるとともに、メタンガスの濃縮を連続的に行なうことができ、高濃度のメタンガスＰＧの生産性が向上する。【０１２０】
[第４実施形態]
上記第１〜第３実施形態においては、単数の吸着塔２を用いた場合と、複数（説明では３塔）を用いた場合とを説明したが、特に、吸着塔２を、２塔（吸着塔２ｄ、吸着塔２ｅ）用いた本装置４００とした場合について、以下、図１３に基づいて説明する。この場合、本装置４００は、表４に示すように、第１吸着塔２ｄを、Ａ：メタンガス吸着工程、Ｂ：均圧工程、Ｃ：メタンガス脱着工程、Ｄ：均圧工程の順に動作させ、これに対応して、第２吸着塔２ｅを、Ａ：メタンガス脱着工程、Ｂ：均圧工程、Ｃ：メタンガス吸着工程、Ｄ：均圧工程の順に動作させて、連続的にメタンガスの濃縮を行なうことができるとともに、両塔を均圧させて、メタンガス吸着工程を行う際の効率を向上させることができる。
【表４】
2008053680.tif 000006
【０１２１】
すなわち、特に示す場合以外は上記第１実施形態における実施例１と同様の条件下で、上記実施例７に記載の吸着材３ａを充填した吸着塔２を２塔用いて、上記表４に示すようにメタンガスの吸着、均圧、脱着、均圧の各工程を行って、原料ガスＧに含まれるメタンガスを濃縮した。なお、吸着塔２ｄ、２ｅは、それぞれ円筒状で容積が０．３３３Ｌであり、メタン吸着材３ａが２０６．７ｇ充填された吸着塔２である。【０１２２】
具体的には、主に吸着塔２ｄについて説明すると（なお、供給路切替弁４０等の切替弁の開閉動作は上記実施形態と同様であるため記載を省略している）、予め真空排気した状態で、送風機４ａにより、炭鉱ガスＧを供給路３０を通じて吸着塔２ｄ内に供給してメタンガスをメタン吸着材３ａに吸着させ、吸着塔２ｄ内に供給された炭鉱ガスＧのうちメタン吸着材３ａに吸着されなかった排ガスＯＧを、放出路３１を通じて吸着塔２の外部空間に放出する（メタンガス吸着工程の一部）。そして、メタン濃度検出手段７ａによるメタン吸着材３ａへのメタンガスの吸着完了の検出後、メタンガス吸着工程が終了して圧力が大気圧付近となっている吸着塔２ｄと、メタンガス脱着工程が終了して圧力が真空付近となっている吸着塔２ｅとを吸着塔間連通路３５により連通して、吸着塔２ｄ内のガスを吸着塔２ｅ内へ流通させる（均圧工程の一部）。これにより、吸着塔２ｄ内では圧力が低下して、後に行われるメタンガス脱着工程において比較的高濃度の製品ガス（濃縮後のメタンガスＰＧ）を得ることができ、一方、吸着塔２ｅ内では圧力が上昇して、後に行われるメタンガス吸着工程においてメタンガスの吸着を容易に行うことが可能となる。次に、吸着塔２ｄ内をさらに減圧して、吸着されたメタンガスを吸着材３ａから脱着させつつ、この濃縮後のメタンガスＰＧの収集路を通じた収集を開始し、貯蔵タンク８に貯蔵する（メタンガス脱着工程の一部）。そして、メタンガス脱着工程が終了して圧力が真空付近となっている吸着塔２ｄと、メタンガス吸着工程が終了して圧力が大気圧付近となっている吸着塔２ｅとを吸着塔間連通路３５により連通して、吸着塔２ｅ内のガスを吸着塔２ｄ内へ流通させる（均圧工程の一部）。これにより、吸着塔２ｅ内では圧力が低下して、後に行われるメタンガス脱着工程において比較的高濃度の製品ガス（濃縮後のメタンガスＰＧ）を得ることができ、一方、吸着塔２ｄ内では圧力が上昇して、後に行われるメタンガス吸着工程においてメタンガスの吸着を容易に行うことが可能となる。なお、本実施形態では、後述する空気昇圧工程は行っていない。【０１２３】
このようにして吸着塔２ｄにおいて得られた濃縮後のメタンガスＰＧのメタン濃度は５２．７Ｖｏｌ％、酸素濃度は９Ｖｏｌ％であった。したがって、上記実施例７において（均圧工程は行っていない）、濃縮後のメタンガスＰＧのメタン濃度は４０．２Ｖｏｌ％、酸素濃度は１１．４Ｖｏｌ％であることと比較して、本実施形態のように均圧工程を行った場合には、明らかに濃縮後のメタンガスＰＧ中のメタン濃度は向上することが判明した。よって、均圧工程を行うことにより、メタンガスの濃縮効率を向上できるとともに、爆発範囲内となることを防止できる。【０１２４】
〔第５実施形態〕
また、上記第４実施形態においては、吸着塔２を、２塔用いた本装置４００とした場合においてメタンガス吸着工程、均圧工程、メタンガス脱着工程、均圧工程を行うように構成したが、さらに、メタンガス吸着工程の前に大気圧付近の空気を吸着塔２内に導入して昇圧する、空気昇圧工程を行うように構成して本装置４００とすることもできる。以下、当該本装置４００について図１３に基づいて説明する。【０１２５】
この場合、本装置４００は、表５に示すように、第１吸着塔２ｄを、Ａ：メタンガス吸着工程、Ｂ：均圧工程、Ｃ：メタンガス脱着工程、Ｄ：メタンガス脱着工程、Ｅ：均圧工程、Ｆ：空気昇圧工程の順に動作させ、これに対応して、第２吸着塔２ｅを、Ａ：メタンガス脱着工程、Ｂ：均圧工程、Ｃ：空気昇圧工程、Ｄ：メタンガス吸着工程、Ｅ：均圧工程、Ｆ：メタンガス脱着工程の順に動作させて、連続的にメタンガスの濃縮を行なうことができる。この際、両塔を均圧させてメタンガス吸着工程若しくはメタンガス脱着工程を行う際の効率を向上させることができるとともに、メタンガス吸着工程の前に大気圧付近まで昇圧してメタンガス吸着工程を行う際の効率を向上させることができる。
【表５】
2008053680.tif 000007
【０１２６】
すなわち、特に示す場合以外は上記第４実施形態と同様の条件下で、上記実施例７に記載の吸着材３ａを充填した吸着塔２を２塔（吸着塔２ｄ、吸着塔２ｅ）用いて、上記表５に示すようにメタンガスの吸着、均圧、脱着、均圧、空気昇圧の各工程を行って、炭鉱ガスＧに含まれるメタンガスを濃縮した。なお、吸着塔２ｄ、２ｅは、それぞれ円筒状で容積が０．５Ｌで、メタン吸着材３ａが２４５．５ｇ充填された吸着塔２であり、この吸着塔２に炭鉱ガスＧを２Ｌ／Ｍで供給した。【０１２７】
具体的には、主に吸着塔２ｄについて説明すると（なお、供給路切替弁４０等の切替弁の開閉動作は上記実施形態と同様であるため記載を省略している）、予め真空排気した状態で、送風機４ａにより、炭鉱ガスＧを供給路３０を通じて吸着塔２ｄ内に供給してメタンガスをメタン吸着材３ａに吸着させ、吸着塔２ｄ内に供給された炭鉱ガスＧのうちメタン吸着材３ａに吸着されなかった排ガスＯＧを、放出路３１を通じて吸着塔２の外部空間に放出する（メタンガス吸着工程の一部）。【０１２８】
そして、メタン濃度検出手段７ａにより検出した排ガスＯＧのメタン濃度が３．７Ｖｏｌ％になった時点で、メタン吸着材３ａへのメタンガスの吸着が完了したもの判断した後、メタンガス吸着工程が終了して圧力が大気圧付近となっている吸着塔２ｄと、メタンガス脱着工程が終了して圧力が真空付近となっている吸着塔２ｅとを吸着塔間連通路３５により連通して、吸着塔２ｄ内のガスを吸着塔２ｅ内へ流通させる（均圧工程の一部）。これにより、吸着塔２ｄ内では圧力が低下して、後に行われるメタンガス脱着工程において比較的高濃度の製品ガス（濃縮後のメタンガスＰＧ）を得ることができ、一方、吸着塔２ｅ内では圧力が上昇して、後に行われるメタンガス吸着工程においてメタンガスの吸着を容易に行うことが可能となる。【０１２９】
次に、吸着塔２ｄ内をさらに減圧して、吸着されたメタンガスをメタン吸着材３ａから脱着させつつ、この濃縮後のメタンガスＰＧの収集路を通じた収集を開始し、貯蔵タンク８に貯蔵する（メタンガス脱着工程の一部）。この際、吸着塔２ｅ内では、後述する空気昇圧工程、及びメタンガス吸着工程が実行されている。
さらに、メタンガス脱着工程が終了して圧力が真空付近となっている吸着塔２ｄと、メタンガス吸着工程が終了して圧力が大気圧付近となっている吸着塔２ｅとを吸着塔間連通路３５により連通して、吸着塔２ｅ内のガスを吸着塔２ｄ内へ流通させる（均圧工程の一部）。この均圧工程では、吸着塔２ｄ及び吸着塔２ｅ内の圧力はいずれも、概ね真空状態と大気圧との間の圧力で均圧されている。
そして、この均圧工程の後にメタンガス吸着工程を行う吸着塔２ｄにおいて、よりメタンガスの吸着を容易に行うことができるように導入路５０から大気圧付近の空気を導入して、吸着塔２ｄ内の圧力を大気圧付近まで上昇させる（空気昇圧工程の一部）。ここで、導入路５０は外部空間と吸着塔２ｄ（放出路３１側）、又は外部空間と吸着塔２ｅ（放出路３１側）をそれぞれ導入路切替弁５１を介して連通するものであり、この導入路切替弁５１の開閉を行なうことにより、外部空間から大気圧程度にある空気を、導入路５０を通じて吸着塔２ｄや吸着塔２ｅに供給することができる。この空気昇圧工程の後、吸着塔２ｄにおいてメタンガス吸着工程が行われる。なお、これらに対応して、吸着塔２ｅでも同様に濃縮後のメタンガスＰＧの収集が行われている。【０１３０】
このようにして吸着塔２ｄ及び２ｅを用いることにより得られた濃縮後のメタンガスＰＧは、図１４に示すように、供給される炭鉱ガスＧの濃度に対応して連続的に製造できることが十分に確認された。さらに、放出路３１における排ガスＯＧ中のメタン濃度をメタン濃度検出手段７ａにより所定のメタン濃度（例えば、３．７Ｖｏｌ％程度）となるように管理することで、図１４に示すように、炭鉱ガスＧ中のメタン濃度が変動しても（例えば炭鉱ガスＧ中のメタン濃度が爆発範囲に近いメタン濃度２０〜３０Ｖｏｌ％の範囲であっても）、得られる濃縮後のメタンガスＰＧのメタン濃度は４５〜５５Ｖｏｌ％程度の範囲となるため、炭鉱ガスＧ、排ガスＯＧ、濃縮後のメタンガスＰＧのいずれもが爆発範囲にはなく、安定的かつ安全に炭鉱ガスＧ、排ガスＯＧの処理、メタンガスＰＧの濃縮を行うことができることが確認された。【０１３１】
〔第６実施形態〕
また、上記第５実施形態においては、吸着塔２を、２塔用いた本装置４００とした場合においてメタンガス吸着工程、均圧工程、メタンガス脱着工程、均圧工程、空気昇圧工程を行うように構成したが、さらに、メタンガス吸着工程の前に大気圧付近の空気を吸着塔２内に導入して所定の圧力まで昇圧する空気昇圧工程の後、さらに、収集された高濃度の可燃性ガスを供給してから、メタンガス吸着工程を行うように構成して本装置４００とすることもできる。以下、当該本装置４００について図１３に基づいて説明する。【０１３２】
この場合、本装置４００は、表６に示すように、第１吸着塔２ｄを、Ａ：メタンガス吸着工程、Ｂ：均圧工程、Ｃ：メタンガス脱着工程、Ｄ：メタンガス脱着工程、Ｅ：メタンガス脱着工程、Ｆ：均圧工程、Ｇ：空気昇圧工程、Ｈ：製品ガス昇圧工程の順に動作させ、これに対応して、第２吸着塔２ｅを、Ａ：メタンガス脱着工程、Ｂ：均圧工程、Ｃ：空気昇圧工程、Ｄ：製品ガス昇圧工程、Ｅ：メタンガス吸着工程、Ｆ：均圧工程、Ｇ：メタンガス脱着工程、Ｈ：メタンガス脱着工程の順に動作させて、連続的にメタンガスの濃縮を行なうことができる。この際、両塔を均圧させてメタンガス吸着工程若しくはメタンガス脱着工程を行う際の効率を向上させることができる。特に、メタンガス吸着工程の前に空気及び高濃度のメタンガスＰＧ（製品ガス）により大気圧付近まで昇圧してメタンガス吸着工程を行う際の効率を向上させることができる。また、メタンガス吸着工程において、高濃度のメタンガスＰＧも供給されるため、濃縮効率を向上させることができる。
【表６】
2008053680.tif 000008
【０１３３】
すなわち、特に示す場合以外は上記第５実施形態と同様の条件下で、上記実施例７に記載の吸着材３ａを充填した吸着塔２を２塔（吸着塔２ｄ、吸着塔２ｅ）用いて、上記表６に示すようにメタンガスの吸着、均圧、脱着、均圧、空気昇圧、製品ガス昇圧の各工程を行って、炭鉱ガスＧに含まれるメタンガスを濃縮した。なお、吸着塔２ｄ、２ｅは、それぞれ円筒状で容積が０．５Ｌで、メタン吸着材３ａが２４５．５ｇ充填された吸着塔２であり、この吸着塔２に炭鉱ガスＧを２Ｌ／Ｍで供給した。【０１３４】
具体的には、主に吸着塔２ｄについて説明すると（なお、供給路切替弁４０等の切替弁の開閉動作は上記実施形態と同様であるため記載を省略している）、予め真空排気した状態で、送風機４ａにより、炭鉱ガスＧを供給路３０を通じて吸着塔２ｄ内に供給してメタンガスをメタン吸着材３ａに吸着させ、吸着塔２ｄ内に供給された炭鉱ガスＧのうちメタン吸着材３ａに吸着されなかった排ガスＯＧを、放出路３１を通じて吸着塔２の外部空間に放出する（メタンガス吸着工程の一部）。【０１３５】
そして、メタン濃度検出手段７ａにより検出した排ガスＯＧのメタン濃度が３．７Ｖｏｌ％になった時点で、メタン吸着材３ａへのメタンガスの吸着が完了したもの判断した後、メタンガス吸着工程が終了して圧力が大気圧付近となっている吸着塔２ｄと、メタンガス脱着工程が終了して圧力が真空付近となっている吸着塔２ｅとを吸着塔間連通路３５により連通して、吸着塔２ｄ内のガスを吸着塔２ｅ内へ流通させる（均圧工程の一部）。これにより、吸着塔２ｄ内では圧力が低下して、後に行われるメタンガス脱着工程において比較的高濃度の製品ガス（濃縮後のメタンガスＰＧ）を得ることができ、一方、吸着塔２ｅ内では圧力が上昇して、後に行われるメタンガス吸着工程においてメタンガスの吸着を容易に行うことが可能となる。【０１３６】
次に、吸着塔２ｄ内をさらに減圧して、吸着されたメタンガスをメタン吸着材３ａから脱着させつつ、この濃縮後のメタンガスＰＧの収集路３２を通じた収集を開始し、貯蔵タンク８に貯蔵する（メタンガス脱着工程の一部）。この際、吸着塔２ｅ内では、後述する空気昇圧工程、製品ガス昇圧工程及びメタンガス吸着工程が実行されている。
さらに、メタンガス脱着工程が終了して圧力が真空付近となっている吸着塔２ｄと、メタンガス吸着工程が終了して圧力が大気圧付近となっている吸着塔２ｅとを吸着塔間連通路３５により連通して、吸着塔２ｅ内のガスを吸着塔２ｄ内へ流通させる（均圧工程の一部）。この均圧工程では、吸着塔２ｄ及び吸着塔２ｅ内の圧力はいずれも、概ね真空状態と大気圧との間の圧力で均圧されている。
そして、この均圧工程の後にメタンガス吸着工程を行う吸着塔２ｄにおいて、よりメタンガスの吸着を容易に行うことができるように導入路５０から大気圧付近の空気を導入して吸着塔２ｄ内の圧力を所定の圧力まで上昇させるとともに（空気昇圧工程の一部）、パージ路３３を通じて貯蔵タンク８内の濃縮後のメタンガスＰＧを導入し吸着塔２ｄ内の圧力を所定の圧力から大気圧付近にまで上昇させる（製品ガス昇圧工程）。なお、本実施形態における空気昇圧工程は、上記第５実施形態の空気昇圧工程において空気のみを導入して大気圧にまで一気に昇圧する際の半分の時間のみ行い、残りの時間において製品ガス昇圧工程を大気圧になるまで、メタンガスＰＧを０．３Ｌ導入することにより行った。この空気昇圧工程及び製品ガス昇圧工程の後、吸着塔２ｄにおいてメタンガス吸着工程が行われる。なお、これらに対応して、吸着塔２ｅでも同様に濃縮後のメタンガスＰＧの収集が行われている。【０１３７】
このようにして吸着塔２ｄにより得られた濃縮後のメタンガスＰＧのメタン濃度は５１．５Ｖｏｌ％であり、上記実施形態１における実施例７でのメタン濃度（４０．２Ｖｏｌ％）よりも向上していることがわかる。
また、上記実施形態６において、上記製品ガス昇圧工程を大気圧になるまで、メタンガスＰＧを０．５Ｌ導入することにより行った。その結果、吸着塔２ｄにより得られた濃縮後のメタンガスＰＧのメタン濃度は５３．５Ｖｏｌ％と向上した。
さらに、上記実施形態６において、上記製品ガス昇圧工程を大気圧になるまで、メタンガスＰＧを１．０Ｌ導入することにより行った。その結果、吸着塔２ｄにより得られた濃縮後のメタンガスＰＧのメタン濃度は５７．０Ｖｏｌ％と向上した。【０１３８】
したがって、メタンガス吸着工程、均圧工程、メタンガス脱着工程、均圧工程、空気昇圧工程、製品ガス昇圧工程、メタンガス吸着工程を順次繰り返し、２塔の吸着塔２間で交互に行うことで、上記のようにいずれの場合においても、製品ガスは爆発濃度範囲外であり、高濃度のメタンガスＰＧを安定的に安全に得られることが判明した。
なお、上記のような高濃度のメタン濃度にまでメタンガスを濃縮できることは、吸着塔２が２塔の場合のみならず、吸着塔２を３塔設けた場合においても同様に確認されている。【０１３９】
[別実施形態]
（１）上記第１〜第６実施形態において、供給される原料ガスＧ中の水分を除去して、吸着材３に可燃性ガスを適切に吸着できるようにするため、除湿機を設置することができる。具体的には、供給路３０上に除湿機を設置することで、原料ガスＧ中の水分を除去することができる。また、吸着塔２内に水分を選択的に吸着可能な水分用吸着材を充填して、水分による可燃性ガスの吸着性能の低下を防止することもできる。【０１４０】
（２）上記第１〜第６実施形態においては、吸着塔２に吸着材３が充填されているが、この吸着材３は単独で用いてもよいし、２種以上混合して用いてもよい。【０１４１】
（３）上記第１〜第６実施形態において、図１３に示すように、収集された可燃性ガスを貯蔵する貯蔵タンク８と供給路３０とを連通する再供給路３６を備え、可燃性ガス吸着工程において、制御手段６が、供給路３０を流通する原料ガスＧと、貯蔵タンク８から再供給路３６を通じて供給路３０を流通する高濃度の可燃性ガスＰＧの一部とを混合して、吸着塔２へ供給するように可燃性ガス濃縮装置を構成することも可能である。
原料ガスＧ中の可燃性ガスの濃度が低い場合等であっても、当該原料ガスＧが吸着塔２に供給される前の供給路３０において、再供給路３６に設けられた再供給路切替弁４６を開くことにより、貯蔵タンク８から再供給路３６を通じて流通させた高濃度の可燃性ガスと混合させ、原料ガスＧの濃度をある程度上昇させた上で、吸着塔２内に供給させることができる。
これにより、貯蔵タンク８へ収集される濃縮後の可燃性ガスＰＧの濃度をより一層高濃度に濃縮できるとともに、原料ガスＧや濃縮後の可燃性ガスＰＧの濃度が爆発範囲内に入ってしまうことを効果的に防止することができる。【０１４２】
（４）上記第１〜第６実施形態においては、原料ガスＧとして炭鉱ガスを用い、可燃性ガスとしてメタンガスを用いたが、原料ガスＧとしては可燃性ガスと空気とを含むガスであれば特に制限されず、また、可燃性ガスとしては可燃性の気体であれば特に制限されない。そして、可燃性ガスの種類に応じて、吸着材３の物性を適宜変更することができ、例えば、このような吸着材３の平均細孔直径としては可燃性ガスの平均分子径の１．２倍〜２倍程度のものを選択すると、可燃性ガスを選択的に吸着することができる。【０１４３】
（５）上記第１〜第６実施形態においては、吸着完了検出手段７としてメタン濃度検出手段７ａを用いたが、これに替えて、経過時間計測手段７ｂを用いることもできる。
すなわち、経過時間計測手段７ｂは、吸着塔２に充填された吸着材３が可燃性ガスの吸着限界（破過）となる破過時間を予め計測しておき、さらに可燃性ガス吸着工程において可燃性ガスの吸着が開始されてからの経過時間を計測して、この経過時間が上記破過時間となるまでに、可燃性ガス吸着工程を終了すべきであると制御手段６に送信することができる。これにより、制御手段６が供給路切替弁４０を制御して、供給手段４による原料ガスＧの供給を停止することができる。
この場合、経過時間計測手段７ｂにより、破過時間と経過時間を比較し、経過時間が破過時間を超えていないときは、原料ガスＧの供給を継続し、経過時間が破過時間と同じか、超えているときには、原料ガスＧの供給を停止するようにして、原料ガスＧが吸着塔２内から外部に放出されるのを極力防止することができるとともに、可燃性ガス脱着工程に適切に移行することができる。【０１４４】
（６）上記第１、第２、第５、第６実施形態においては、上記可燃性ガス脱着工程が終了した前記吸着塔２に空気を供給したが、これに限らず、例えば、炭鉱内採掘時に坑内への通気によって大気中に放出される通気メタン（ベンチレーションエアメタン、通常メタン濃度０．５％）を使用してもよい。これにより、ベンチレーションエアメタン中に含まれるメタンガスを回収でき、従来放出していた通気メタンを有効に回収できる。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本発明に係る可燃性ガス濃縮装置および可燃性ガス濃縮方法は、可燃性ガスを濃縮する際に、爆発範囲の濃度となることを回避しつつ高濃度な濃縮を実現することができる技術として有効に利用可能である。
【図１】
2008053680.tif 000009
【図２】
2008053680.tif 000010
【図３】
2008053680.tif 000011
【図４】
2008053680.tif 000012
【図５】
2008053680.tif 000013
【図６】
2008053680.tif 000014
【図７】
2008053680.tif 000015
【図８】
2008053680.tif 000016
【図９】
2008053680.tif 000017
【図１０】
2008053680.tif 000018
【図１１】
2008053680.tif 000019
【図１２】
2008053680.tif 000020
【図１３】
2008053680.tif 000021
【図１４】
2008053680.tif 000022
【国際調査報告】
2008053680.tif 000023
2008053680.tif 000024