(57)【要約】【課題】  都市ガスをメタン価の高いガスとメタン価の低いガスとに分離するガス分離技術を提供する。【解決手段】  活性炭が充填された第１および第２吸着タンク１１，１２の入口ポート１９，２０に、たとえば０．５ＭＰａの高圧力またはたとえば０．１ＭＰａの低圧力で都市ガスを供給できるようバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ５，Ｖ６を操作し、高圧力の都市ガスが供給されている吸着タンクから流出するメタン価の高い第１ガスは第１捕集タンク１３に捕集され、低圧力の都市ガスが供給されている吸着タンクから流出するメタン価の低い第２ガスは第２捕集タンク１４に捕集されるようバルブＶ３，Ｖ４，Ｖ７，Ｖ８を操作する。【選択図】    図２
2006326545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを供給するガス供給手段と、
内部に吸着材が充填された吸着タンクと、
第１捕集タンクおよび第２捕集タンクと、
前記吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第１流路と、
前記吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第２流路と、
前記第１および第２の各流路を開状態または閉状態にする流路制御手段と、
を有し、
前記ガス供給手段は、前記吸着タンクに第１圧力Ｐ１または第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で前記供給ガスを供給可能なものであり、
前記供給ガスが前記第１圧力Ｐ１で前記吸着タンクに供給されているときには前記第１流路が開状態、前記第２流路が閉状態となるよう前記流路制御手段を制御し、前記供給ガスが前記第２圧力Ｐ２で前記吸着タンクに供給されているときには前記第１流路が閉状態、前記第２流路が開状態となるよう前記流路制御手段を制御することにより、前記第１捕集タンクに前記供給ガスのメタン価ＭＮｓより高いメタン価の第１ガスを捕集し、前記第２捕集タンクに前記メタン価ＭＮｓより低いメタン価の第２ガスを捕集するガス分離装置。
【請求項２】
前記吸着タンクを複数有し、
前記複数の吸着タンク毎の前記第１流路および前記第２流路をさらに有し、
前記ガス供給手段は、前記複数の吸着タンク毎に前記第１圧力Ｐ１または前記第２圧力Ｐ２で独立に前記供給ガスを供給可能なものであって、
前記ガス供給手段による各吸着タンクへの前記第１圧力Ｐ１または前記第２圧力Ｐ２での前記供給ガスの供給を、各吸着タンクにおける前記第１圧力Ｐ１および前記第２圧力Ｐ２での処理サイクルの周期Ｔを前記複数の吸着タンクの本数Ｎで除した時間Ｔ／Ｎだけずらしたタイミングで開始する請求項１記載のガス分離装置。
【請求項３】
複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを供給するガス供給手段と、
内部に吸着材が充填された第１吸着タンクおよび第２吸着タンクと、
第１捕集タンクおよび第２捕集タンクと、
前記第１吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第１流路と、
前記第１吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第２流路と、
前記第２吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第３流路と、
前記第２吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第４流路と、
前記第１〜第４の各流路を開状態または閉状態にする流路制御手段と、
を有し、
前記ガス供給手段は、前記第１および第２吸着タンクの何れか一方の吸着タンクに第１圧力Ｐ１で前記供給ガスを供給するとともに他方の吸着タンクに第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で前記供給ガスを供給可能なものであり、
前記供給ガスが前記第１圧力Ｐ１で前記第１吸着タンクに供給されるとともに前記第２圧力Ｐ２で前記第２吸着タンクに供給されているときには前記第１および第４流路が開状態、前記第２および第３流路が閉状態となるよう前記流路制御手段を制御し、前記供給ガスが前記第２圧力Ｐ２で前記第１吸着タンクに供給されるとともに前記第１圧力Ｐ１で前記第２吸着タンクに供給されているときには前記第１および第４流路が閉状態、前記第２および第３流路が開状態となるよう前記流路制御手段を制御することにより、前記第１捕集タンクに前記供給ガスのメタン価ＭＮｓより高いメタン価の第１ガスを捕集し、前記第２捕集タンクに前記メタン価ＭＮｓより低いメタン価の第２ガスを捕集するガス分離装置。
【請求項４】
複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを供給するガス供給手段と、
内部に吸着材が充填された第１乃至第３吸着タンクと、
第１捕集タンクおよび第２捕集タンクと、
前記第１乃至第３吸着タンクの内部を大気圧以下の減圧状態にまで強制的に排気できる排気手段と、
前記第１吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第１流路と、
前記第１吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第２流路と、
前記第２吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第３流路と、
前記第２吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第４流路と、
前記第３吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第５流路と、
前記第３吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第６流路と、
前記第１吸着タンクのガス出口と前記排気手段とを接続する第７流路と、
前記第２吸着タンクのガス出口と前記排気手段とを接続する第８流路と、
前記第３吸着タンクのガス出口と前記排気手段とを接続する第９流路と、
前記第１〜第９の各流路を開状態または閉状態にする流路制御手段と、
を有し、
前記ガス供給手段は、前記第１乃至第３吸着タンクの何れか一つの吸着タンクに第１圧力Ｐ１で前記供給ガスを供給するとともに他の一つの吸着タンクに第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で前記供給ガスを供給し、さらに他の一つの吸着タンクには前記供給ガスを供給しないことが可能なものであり、
前記流路制御手段により前記第１乃至第９流路の開閉状態を制御して、前記第１圧力Ｐ１で前記供給ガスが供給されている前記第１乃至第３の何れかの吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導いて前記第１ガスを捕集するとともに、前記第２圧力Ｐ２で前記供給ガスが供給されている前記第１乃至第３の何れかの吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導いて前記第２ガスを捕集し、同時に、前記供給ガスが供給されていない前記第１〜第３の何れかの吸着タンクの内部を前記排気手段によって排気するガス分離装置。
【請求項５】
前記ガス供給手段による前記吸着タンク、または前記第１、第２もしくは第３吸着タンクへのガス供給（前記第１圧力Ｐ１での前記供給ガスの供給、前記第２圧力Ｐ２での前記供給ガスの供給または前記供給ガスを供給しない）を一定周期で切替える請求項１〜４の何れか一項に記載のガス分離装置。
【請求項６】
前記第１捕集タンクのガス入口に設けられたメタン価モニタをさらに有し、
前記メタン価モニタの出力値を参照して、前記ガス供給手段による前記吸着タンク、または前記第１、第２もしくは第３吸着タンクへの前記供給ガスのガス供給（前記第１圧力Ｐ１での前記供給ガスの供給、前記第２圧力Ｐ２での前記供給ガスの供給または前記供給ガスを供給しない）を制御する請求項１〜４の何れか一項に記載のガス分離装置。
【請求項７】
前記炭化水素化合物は、メタン、エタン、プロパンおよびブタンである請求項１〜６の何れか一項に記載のガス分離装置。
【請求項８】
前記吸着材は、活性炭、ゼオライト、有機金属錯体、アルミナまたはシリカである請求項１〜７の何れか一項に記載のガス分離装置。
【請求項９】
前記供給ガスは都市ガスであり、前記吸着材は活性炭であり、前記第１圧力Ｐ１は０．１〜１ＭＰａの範囲内、且つ、前記第２圧力Ｐ２は０．０１〜０．３ＭＰａの範囲内（ただしＰ１＞Ｐ２の条件を満足する範囲に限る）、である請求項１〜６の何れか一項に記載のガス分離装置。
【請求項１０】
複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを、前記供給ガスのメタン価ＭＮｓより高いメタン価の第１ガスと、前記メタン価ＭＮｓより低いメタン価の第２ガスとに分離するガス分離方法であって、
（ａ）吸着材が充填された吸着タンクに前記供給ガスを第１圧力Ｐ１で供給し、前記吸着タンクから排出される前記第１ガスを第１捕集タンクに捕集するステップと、
（ｂ）前記吸着タンクに前記供給ガスを第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で供給し、前記吸着タンクから排出される前記第２ガスを第２捕集タンクに捕集するステップと、
前記（ａ）および（ｂ）のステップを繰り返すステップと、
を有するガス分離方法。
【請求項１１】
前記吸着タンクを複数有し、
前記吸着タンク毎の前記（ａ）または前記（ｂ）のステップを、前記（ａ）および前記（ｂ）のステップを処理するに要する時間Ｔを前記複数の吸着タンクの本数Ｎで除した時間Ｔ／Ｎだけずらしたタイミングで開始する請求項１０記載のガス分離方法。
【請求項１２】
複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを、前記供給ガスのメタン価ＭＮｓより高いメタン価の第１ガスと、前記メタン価ＭＮｓより低いメタン価の第２ガスとに分離するガス分離方法であって、
（ａ）吸着材が充填された第１吸着タンクに前記供給ガスを第１圧力Ｐ１で供給するとともに前記第１吸着タンク同様の第２吸着タンクに前記供給ガスを第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で供給し、前記第１吸着タンクから排出される前記第１ガスを第１捕集タンクに捕集するとともに前記第２吸着タンクから排出される前記第２ガスを第２捕集タンクに捕集するステップと、
（ｂ）前記第２吸着タンクに前記供給ガスを前記第１圧力Ｐ１で供給するとともに前記第１吸着タンクに前記供給ガスを前記第２圧力Ｐ２で供給し、前記第２吸着タンクから排出される前記第１ガスを前記第１捕集タンクに捕集するとともに前記第１吸着タンクから排出される前記第２ガスを前記第２捕集タンクに捕集するステップと、
前記（ａ）および（ｂ）のステップを繰り返すステップと、
を有するガス分離方法。
【請求項１３】
複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを、前記供給ガスのメタン価ＭＮｓより高いメタン価の第１ガスと、前記メタン価ＭＮｓより低いメタン価の第２ガスとに分離するガス分離方法であって、
（ａ）吸着材が充填された第１吸着タンクに前記供給ガスを第１圧力Ｐ１で供給するとともに前記第１吸着タンク同様の第２吸着タンクに前記供給ガスを第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で供給し、同時に前記第１および第２吸着タンク同様の第３吸着タンクの内部を大気圧以下の減圧状態まで排気し、前記第１吸着タンクから排出される前記第１ガスを第１捕集タンクに捕集するとともに前記第２吸着タンクから排出される前記第２ガスを第２捕集タンクに捕集するステップと、
（ｂ）前記第３吸着タンクに前記供給ガスを前記第１圧力Ｐ１で供給するとともに前記第１吸着タンクに前記供給ガスを前記第２圧力Ｐ２で供給し、同時に前記第２吸着タンクの内部を大気圧以下の減圧状態まで排気し、前記第３吸着タンクから排出される前記第１ガスを前記第１捕集タンクに捕集するとともに前記第１吸着タンクから排出される前記第２ガスを前記第２捕集タンクに捕集するステップと、
（ｃ）前記第２吸着タンクに前記供給ガスを前記第１圧力Ｐ１で供給するとともに前記第３吸着タンクに前記供給ガスを前記第２圧力Ｐ２で供給し、同時に前記第１吸着タンクの内部を大気圧以下の減圧状態まで排気し、前記第２吸着タンクから排出される前記第１ガスを前記第１捕集タンクに捕集するとともに前記第３吸着タンクから排出される前記第２ガスを前記第２捕集タンクに捕集するステップと、
前記（ａ）〜（ｃ）のステップを繰り返すステップと、
を有するガス分離方法。
【請求項１４】
前記（ａ）、（ｂ）または（ｃ）の各ステップを一定期間の経過後に進行させる請求項１０〜１３の何れか一項に記載のガス分離方法。
【請求項１５】
前記第１捕集タンクのガス入口にメタン価モニタを設け、
前記メタン価モニタの出力値を参照して、前記（ａ）、（ｂ）または（ｃ）の各ステップの進行タイミングを制御する請求項１０〜１３の何れか一項に記載のガス分離方法。
【請求項１６】
前記炭化水素化合物は、メタン、エタン、プロパンおよびブタンである請求項１０〜１５の何れか一項に記載のガス分離方法。
【請求項１７】
前記吸着材は、活性炭、ゼオライト、有機金属錯体、アルミナまたはシリカである請求項１０〜１６の何れか一項に記載のガス分離方法。
【請求項１８】
前記供給ガスは都市ガスであり、前記吸着材は活性炭であり、前記第１圧力Ｐ１は０．１〜１ＭＰａの範囲内、且つ、前記第２圧力Ｐ２は０．０１〜０．３ＭＰａの範囲内（ただしＰ１＞Ｐ２の条件を満足する範囲に限る）、である請求項１０〜１５の何れか一項に記載のガス分離方法。
【請求項１９】
複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを燃料とし、ガスエンジンと、燃焼熱利用装置と、前記供給ガスを分離するガス分離装置とを備えたガスエンジンコジェネレーションシステムであって、
前記ガス分離装置は、
前記供給ガスを供給するガス供給手段と、内部に吸着材が充填された吸着タンクと、第１捕集タンクおよび第２捕集タンクと、前記吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第１流路と、前記吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第２流路と、前記第１および第２の各流路を開状態または閉状態にする流路制御手段と、を有し、前記ガス供給手段は、前記吸着タンクに第１圧力Ｐ１または第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で前記供給ガスを供給可能なものであり、前記供給ガスが前記第１圧力Ｐ１で前記吸着タンクに供給されているときには前記第１流路が開状態、前記第２流路が閉状態となるよう前記流路制御手段を制御し、前記供給ガスが前記第２圧力Ｐ２で前記吸着タンクに供給されているときには前記第１流路が閉状態、前記第２流路が開状態となるよう前記流路制御手段を制御することにより、前記第１捕集タンクに前記供給ガスのメタン価ＭＮｓより高いメタン価の第１ガスを捕集し、前記第２捕集タンクに前記メタン価ＭＮｓより低いメタン価の第２ガスを捕集するものである第１の構成、または、
前記供給ガスを供給するガス供給手段と、内部に吸着材が充填された第１吸着タンクおよび第２吸着タンクと、第１捕集タンクおよび第２捕集タンクと、前記第１吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第１流路と、前記第１吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第２流路と、前記第２吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第３流路と、前記第２吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第４流路と、前記第１〜第４の各流路を開状態または閉状態にする流路制御手段と、を有し、前記ガス供給手段は、前記第１および第２吸着タンクの何れか一方の吸着タンクに第１圧力Ｐ１で前記供給ガスを供給するとともに他方の吸着タンクに第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で前記供給ガスを供給可能なものであり、前記供給ガスが前記第１圧力Ｐ１で前記第１吸着タンクに供給されるとともに前記第２圧力Ｐ２で前記第２吸着タンクに供給されているときには前記第１および第４流路が開状態、前記第２および第３流路が閉状態となるよう前記流路制御手段を制御し、前記供給ガスが前記第２圧力Ｐ２で前記第１吸着タンクに供給されるとともに前記第１圧力Ｐ１で前記第２吸着タンクに供給されているときには前記第１および第４流路が閉状態、前記第２および第３流路が開状態となるよう前記流路制御手段を制御することにより、前記第１捕集タンクに前記供給ガスのメタン価ＭＮｓより高いメタン価の第１ガスを捕集し、前記第２捕集タンクに前記メタン価ＭＮｓより低いメタン価の第２ガスを捕集するものである第２の構成、または、
前記供給ガスを供給するガス供給手段と、内部に吸着材が充填された第１乃至第３吸着タンクと、第１捕集タンクおよび第２捕集タンクと、前記第１乃至第３吸着タンクの内部を大気圧以下の減圧状態にまで強制的に排気できる排気手段と、前記第１吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第１流路と、前記第１吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第２流路と、前記第２吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第３流路と、前記第２吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第４流路と、前記第３吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第５流路と、前記第３吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第６流路と、前記第１吸着タンクのガス出口と前記排気手段とを接続する第７流路と、前記第２吸着タンクのガス出口と前記排気手段とを接続する第８流路と、前記第３吸着タンクのガス出口と前記排気手段とを接続する第９流路と、前記第１〜第９の各流路を開状態または閉状態にする流路制御手段と、を有し、前記ガス供給手段は、前記第１乃至第３吸着タンクの何れか一つの吸着タンクに第１圧力Ｐ１で前記供給ガスを供給するとともに他の一つの吸着タンクに第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で前記供給ガスを供給し、さらに他の一つの吸着タンクには前記供給ガスを供給しないことが可能なものであり、前記流路制御手段により前記第１乃至第９流路の開閉状態を制御して、前記第１圧力Ｐ１で前記供給ガスが供給されている前記第１乃至第３の何れかの吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導いて前記第１ガスを捕集するとともに、前記第２圧力Ｐ２で前記供給ガスが供給されている前記第１乃至第３の何れかの吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導いて前記第２ガスを捕集し、同時に、前記供給ガスが供給されていない前記第１〜第３の何れかの吸着タンクの内部を前記排気手段によって排気するものである第３の構成、
の何れかの構成を有するものであり、
前記第１ガスを前記ガスエンジンに、前記第２ガスを前記燃焼熱利用装置に供給するガスエンジンコジェネレーションシステム。
【請求項２０】
前記ガス供給手段による前記吸着タンク、または前記第１、第２もしくは第３吸着タンクへのガス供給（前記第１圧力Ｐ１での前記供給ガスの供給、前記第２圧力Ｐ２での前記供給ガスの供給または前記供給ガスを供給しない）を一定周期で切替える請求項１９記載のガスエンジンコジェネレーションシステム。
【請求項２１】
前記第１捕集タンクのガス入口に設けられたメタン価モニタをさらに有し、
前記メタン価モニタの出力値を参照して、前記ガス供給手段による前記吸着タンク、または前記第１、第２もしくは第３吸着タンクへの前記供給ガスのガス供給（前記第１圧力Ｐ１での前記供給ガスの供給、前記第２圧力Ｐ２での前記供給ガスの供給または前記供給ガスを供給しない）を制御する請求項１９記載のガスエンジンコジェネレーションシステム。
【請求項２２】
前記炭化水素化合物は、メタン、エタン、プロパンおよびブタンである請求項１９〜２１の何れか一項に記載のガスエンジンコジェネレーションシステム。
【請求項２３】
前記吸着材は、活性炭、ゼオライト、有機金属錯体、アルミナまたはシリカである請求項１９〜２２の何れか一項に記載のガスエンジンコジェネレーションシステム。
【請求項２４】
前記供給ガスは都市ガスであり、前記吸着材は活性炭であり、前記第１圧力Ｐ１は０．１〜１ＭＰａの範囲内、且つ、前記第２圧力Ｐ２は０．０１〜０．３ＭＰａの範囲内（ただしＰ１＞Ｐ２の条件を満足する範囲に限る）、である請求項１９〜２１の何れか一項に記載のガスエンジンコジェネレーションシステム。
【請求項２５】
前記ガス分離装置から前記ガスエンジンへの前記第１ガスの供給経路に第２メタン価モニタがさらに備えられ、
前記第２メタン価モニタの出力値によって、前記ガスエンジンの出力を制御する手段をさらに備える請求項１９〜２４の何れか一項に記載のガスエンジンコジェネレーションシステム。
【請求項２６】
前記第２ガスを、前記ガスエンジンの排気ガス脱硝処理設備における還元剤として利用する請求項１９〜２５の何れか一項に記載のガスエンジンコジェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス分離装置、ガス分離方法およびこれらを用いたガスエンジンコジェネレーションシステムに関する。特に、都市ガスを燃料ガスとするガスコジェネレーションシステムの高出力化等に適用して有用な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー変換効率のよい電力熱源システムとしてガスエンジンコジェネレーションシステムが知られている。ガスエンジンコジェネレーションシステムは、ガスエンジンによる発電機駆動系とボイラー等による燃焼熱利用系を有し、双方の系で燃料ガスを利用する。燃料ガスとしては炭化水素系ガスを利用し、中小規模のシステムでは都市ガスを利用するのが一般的である。都市ガス網は高度に整備されており、中小規模のガスエンジンコジェネレーションシステムを利用するユーザには燃料プラントを整備する必要がなく、簡便に利用できる利点がある。
【０００３】
ここで、都市ガスとは、その種類が燃焼速度とウオッベ指数とで決定されている炭化水素系ガスをいい、燃焼性の類別によって１３Ａ、１２Ａ、６Ａ等に分けられる。たとえば現在一般に供給されている１３Ａガスは、ウオッベ指数が５２．７〜５７．８の範囲にあり、燃焼速度が３５〜４７の範囲にある都市ガスである。なお、燃焼速度ＭＣＰは数１に示す計算式によって得られる数値をいい、ウオッベ指数ＷＩは数２に示す計算式によって得られる数値をいう。
（数１）
ＭＣＰ＝Σ（Ｓｉ×ｆｉ×Ａｉ）／Σ（ｆｉ×Ａｉ）×（１−Ｋ）
ただし、Ｓｉはガス中の各可燃性ガスの燃焼速度であって、水素は２８２、メタンは３６、エタンは４１、プロパンは４１、ブタンは３８である。ｆｉはガス中の各可燃性ガスに係る係数であって、水素は１．００、メタンは８．７２、エタンは１６．６、プロパンは２４．６、ブタンは３２．７である。Ａｉはガス中の各可燃性ガスの含有率（体積百分率）である。Ｋは減衰係数である。
（数２）
ＷＩ＝Ｈ／√ａ
ただし、ａはガスの空気に対する比重である。Ｈはガスの熱量（メガジュール）である。
【０００４】
１３Ａに分類される都市ガス（以下１３Ａガスという）ではあっても前記の通りその定義に幅があるので、そのガス組成は前記燃焼速度とウオッベ指数の条件を満足する範囲で変化する。現在ユーザに提供されている１３Ａガスとして、メタン８７．７％、エタン６％、プロパン４．９％、ブタン１．４％の平均組成を有する炭化水素混合ガスが例示できる。その真発熱量は４１６７１ｋＪ／ｍ３（１１．５７５２８ｋＷｈ／ｍ３）である。なお、本明細書では前記のとおり、都市ガスはその種類が燃焼速度とウオッベ指数とで決定されている炭化水素系ガスをいい、１３Ａガスは前記燃焼速度とウオッベ指数とで決定される定義に従って１３Ａに分類される炭化水素系ガスの全てをいう。ただし、現在ユーザに提供されている都市ガスは前記例示の平均組成を有する１３Ａガスであるため、以下の説明では前記例示の平均組成を有する都市ガス（１３Ａガス）を中心に説明を進める。都市ガスの特性を表す指標として熱量の他にメタン価がある。メタン価とは、ガスエンジンのおけるノッキングのしにくさを示す燃料品質の指標であり、ある燃料のガスエンジンに対するノッキング抵抗がメタンと水素の混合ガスのノッキング抵抗と同じになる場合、その燃料のメタン価はメタン・水素混合ガスのメタン比率で指標される。たとえばメタン価８０の燃料ガスは、メタン８０％水素２０％の混合ガスと同程度のノッキング抵抗を有するガスとして定義される。前記平均組成を有する１３Ａガスの場合、メタン価は６６である。
【０００５】
ガスエンジンコジェネレーションシステムで利用されるガスエンジンは、一般にメタン価が高いほど大きな出力を得ることができる。また、メタン価が高いほどノッキングが発生しにくくなる。よって、メタン価の高い燃料ガスを利用することが望まれるが、ガスエンジンコジェネレーションシステムを利用する特定のユーザにだけメタン価の高い都市ガスを供給するのは現実的でない。すなわち、都市ガスの供給契約は熱量ベースで締結されており、原料である天然ガスの組成比等からユーザに提供される１３Ａガスの組成比は前記した組成比に定められているのが現状である。このような状況下で供給ガスのメタン価を高めようとすると、都市ガスシステムを複数用意しなければならず現実的ではない。従って、ガスエンジンコジェネレーションシステムに供給される燃料ガスとしてメタン価６６程度の１３Ａガスを前提とせざるを得ない。なお、諸外国における都市ガスの組成比は天然ガス調達先等の事情の相違等から前記例示の組成比とは相違する。そのため諸外国における都市ガスのメタン価は前記した６６とは相違する。たとえばヨーロッパにおいては６６よりも大きなメタン価の炭化水素ガスが供給されている。このため、ヨーロッパ向けのガスエンジンは日本向けのガスエンジンより同タイプで定格出力が大きくなっている。
【０００６】
都市ガス利用のガスエンジンコジェネレーションシステムにおけるガスエンジンの出力向上およびノッキング余裕の増大のためには、供給される都市ガス（１３Ａガス）をその場で改質し、メタン価の高い燃料ガスを得てこれをガスエンジンに利用する方策が有効である。ガスエンジンの燃料ガスを改質する技術に関して、特開２００２−２２１０９８号公報、特開２００３−２１０４２６号公報、特開２００３−２１０４２７号公報の各公報に記載がある。前記各公報には、炭化水素系燃料に水を吸熱反応させ、炭化水素の一部を一酸化炭素および水素に転化し、これをガスエンジンに供給する技術が記載されている。このような燃料ガス改質により改質後燃料の発熱量が増加し、発電効率を向上させることができる旨の記載がある。この燃料ガス改質過程では、炭化水素系ガス（たとえばメタン）に水を加え、結果的にメタン、一酸化炭素および水素の混合ガスを生成しているので一種のメタン価制御が行われていることになる。また、燃料ガス改質過程においてたとえば原料ガスへの水素供給量を制御してメタン価を制御する旨の記載もある（特開２００２−２２１０９８号公報）。
【特許文献１】特開２００２−２２１０９８号公報
【特許文献２】特開２００３−２１０４２６号公報
【特許文献３】特開２００３−２１０４２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記各公報におけるメタン価制御は、炭化水素ガスに水、水素等の別種ガスを添加するものであり、しかも吸熱反応であるため改質には高温環境が必要である。別種ガスを燃料ガスとは別に準備することは、燃料プラントを準備しなくても運用できるという都市ガス利用のガスエンジンコジェネレーションシステムの利便性を大きく減殺する。また、燃料ガス改質のために高温環境が必要なことは、都合よくガスエンジンコジェネレーションシステムの排熱等を利用できるならよいが、別途加熱する手段が必要な場合にはシステム全体の効率を低下させる要因となり好ましくない。よって、別種ガスを添加することなく、また、加熱環境を生成することなく、高いメタン価の炭化水素ガスを生成できる技術の提供が望まれる。
【０００８】
高いメタン価の炭化水素ガスを生成する方策としては、１３Ａガスから高メタン価ガスを分離する方策が考え得る。もし１３Ａガスから高メタン価ガスが分離されたなら、残るガスにはメタン価を下げる要因となっているプロパン、ブタン等の組成比が高くなっているはずである。プロパン、ブタンはメタンより熱量が高いので残るガス（低メタン価ガス）の熱量は分離された高メタン価ガスのそれより高くなっている。そうであるなら高メタン価ガスをガスエンジンに供給してエンジン出力を向上する一方低メタン価ガスをボイラー等燃焼熱利用系に供給してガスエンジンコジェネレーションシステム全体の効率向上を図る途が開ける。また、プロパンやブタンはメタンよりも窒素酸化物に対する還元性が高いので低メタン価ガスを脱硝処理に適用するような用途も開ける。さらに、高メタン価ガスをガスエンジンに供給すればガスエンジンの出力が向上して出力余裕が生じるので、ガスエンジンの出力制御等を行えば、燃料効率を向上する途も開けることになる。
【０００９】
本発明の目的は、供給される都市ガスをメタン価の高いガスとメタン価の低いガスとに分離するガス分離技術を提供することにある。また、分離された高メタン価ガスと低メタン価ガスとを各々最適の用途に適用して、ガスエンジンコジェネレーションシステムの効率向上あるいは脱硝処理等に活用できる技術を提供することにある。さらに、ガスエンジンの出力を最適に制御して燃料効率等の向上を実現できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明を具体的に説明する前に、本願発明の基礎となる本願発明者らが得た知見について説明する。本願発明者らは、たとえばメタン８７．７％、エタン６％、プロパン４．９％、ブタン１．４％の平均組成を有する１３Ａガスの構成ガスであるメタン（ＣＨ４、以下「Ｃ１ガス」と略称する）、エタン（Ｃ２Ｈ６、以下「Ｃ２ガス」と略称する）、プロパン（Ｃ３Ｈ８、以下「Ｃ３ガス」と略称する）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０、以下「Ｃ４ガス」と略称する）について吸着材（たとえば活性炭）への吸着量の吸着圧力依存性を研究した。その結果、Ｃ１ガスとＣ４ガスとでは、その吸着量の圧力依存性に大きな相違があることを見出した。すなわち、Ｃ４ガスの吸着量はＣ１ガスのそれより格段に大きい。Ｃ１ガス、Ｃ４ガスの双方は吸着圧力の増加に従い吸着量が増加するが、単位圧力増加に対する吸着量の増加はＣ１ガスに比較してＣ４ガスの方が大きくなる圧力範囲が存在する。なお、実験した圧力範囲は約５ｋＰａ（３７Ｔｏｒｒ）〜０．２７ＭＰａ（２０００Ｔｏｒｒ）の範囲である。また、Ｃ３ガスはＣ４ガスとほぼ同様な特性を示した。
【００１１】
以上の実験結果は、たとえば活性炭が充填された吸着タンクに１３Ａガスを導入し通過させると、Ｃ１ガスより多くのＣ４ガス（Ｃ３ガスについて同じ。以下Ｃ３ガスとＣ４ガスとが同様の特性を示す現象について説明する場合単にＣ４ガスを説明することによってＣ３ガスについても説明したものとする。）が吸着し、投入ガスのＣ４ガス比に対して通過ガスのＣ４ガス比が小さくなることを意味する。つまり通過ガスのメタン価が大きくなることを示す。このＣ４ガスの吸着量は吸着圧力が大きくなるほど大きいので、１３Ａガスを吸着タンクに通過処理する際の処理圧力が大きいほど通過ガスのメタン価は大きくなる（勿論、この論理が成立するにはＣ４ガス吸着量の圧力依存性が飽和していないことが前提になる）。
【００１２】
以上の知見を利用すれば、吸着材が充填された吸着タンクを通過させる１３Ａガスの圧力をスイングさせ、吸着および再生（圧力を低下することによりある程度吸着材が再生する）を繰り返すだけで、通過ガスのメタン価を制御させることが可能になる。なお、再生時には吸着していたＣ４ガスが放出されるため通過ガスのメタン価は低下する。これにより、本発明のガス分離を実現できる。
【００１３】
具体的には、以下のようなガス分離装置を提示できる。すなわち、本願発明のガス分離装置は、複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを供給するガス供給手段と、内部に吸着材が充填された吸着タンクと、第１捕集タンクおよび第２捕集タンクと、前記吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第１流路と、前記吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第２流路と、前記第１および第２の各流路を開状態または閉状態にする流路制御手段と、を有し、前記ガス供給手段は、前記吸着タンクに第１圧力Ｐ１または第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で前記供給ガスを供給可能なものであり、前記供給ガスが前記第１圧力Ｐ１で前記吸着タンクに供給されているときには前記第１流路が開状態、前記第２流路が閉状態となるよう前記流路制御手段を制御し、前記供給ガスが前記第２圧力Ｐ２で前記吸着タンクに供給されているときには前記第１流路が閉状態、前記第２流路が開状態となるよう前記流路制御手段を制御することにより、前記第１捕集タンクに前記供給ガスのメタン価ＭＮｓより高いメタン価の第１ガスを捕集し、前記第２捕集タンクに前記メタン価ＭＮｓより低いメタン価の第２ガスを捕集するものである。
【００１４】
吸着材が充填された吸着タンクに高圧（第１圧力Ｐ１）で供給ガスを供給しているときには通過ガスのメタン価は高くなるので、流路制御を適切に行うことにより高メタン価ガス（第１ガス）を第１捕集タンクに捕集できる。一方、吸着タンクに低圧（第２圧力Ｐ２）で供給ガスを供給しているときには通過ガスのメタン価は低くなるので、流路制御を適切に行うことにより低メタン価ガス（第２ガス）を第２捕集タンクに捕集できる。
【００１５】
上記ガス分離装置において、前記吸着タンクを複数有し、前記複数の吸着タンク毎の前記第１流路および前記第２流路をさらに有し、前記ガス供給手段は、前記複数の吸着タンク毎に前記第１圧力Ｐ１または前記第２圧力Ｐ２で独立に前記供給ガスを供給可能なものであって、前記ガス供給手段による各吸着タンクへの前記第１圧力Ｐ１または前記第２圧力Ｐ２での前記供給ガスの供給を、各吸着タンクにおける前記第１圧力Ｐ１および前記第２圧力Ｐ２での処理サイクルの周期Ｔを前記複数の吸着タンクの本数Ｎで除した時間Ｔ／Ｎだけずらしたタイミングで開始するものとすることができる。この場合、複数の吸着タンクにより並列にガス分離処理が行える。また吸着タンク毎の処理を、時間Ｔ／Ｎだけずらしたタイミングで開始する（ただしＴは吸着タンクの第１圧力Ｐ１および第２圧力Ｐ２における処理時間、Ｎは吸着タンク本数）。これにより、時間的に平均して安定な第１ガスおよび第２ガスの分離が可能になる。
【００１６】
また、本発明で開示する他の発明は、複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを供給するガス供給手段と、内部に吸着材が充填された第１吸着タンクおよび第２吸着タンクと、第１捕集タンクおよび第２捕集タンクと、前記第１吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第１流路と、前記第１吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第２流路と、前記第２吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第３流路と、前記第２吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第４流路と、前記第１〜第４の各流路を開状態または閉状態にする流路制御手段と、を有し、前記ガス供給手段は、前記第１および第２吸着タンクの何れか一方の吸着タンクに第１圧力Ｐ１で前記供給ガスを供給するとともに他方の吸着タンクに第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で前記供給ガスを供給可能なものであり、前記供給ガスが前記第１圧力Ｐ１で前記第１吸着タンクに供給されるとともに前記第２圧力Ｐ２で前記第２吸着タンクに供給されているときには前記第１および第４流路が開状態、前記第２および第３流路が閉状態となるよう前記流路制御手段を制御し、前記供給ガスが前記第２圧力Ｐ２で前記第１吸着タンクに供給されるとともに前記第１圧力Ｐ１で前記第２吸着タンクに供給されているときには前記第１および第４流路が閉状態、前記第２および第３流路が開状態となるよう前記流路制御手段を制御することにより、前記第１捕集タンクに前記供給ガスのメタン価ＭＮｓより高いメタン価の第１ガスを捕集し、前記第２捕集タンクに前記メタン価ＭＮｓより低いメタン価の第２ガスを捕集するガス分離装置である。本発明では、２つの吸着タンクを利用し、一方が吸着過程にあるとき他方を再生過程とし、これを交互に行うことによって単位時間に２倍の分離処理を行うことができる。
【００１７】
さらに、本発明で開示する他の発明は、複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを供給するガス供給手段と、内部に吸着材が充填された第１乃至第３吸着タンクと、第１捕集タンクおよび第２捕集タンクと、前記第１乃至第３吸着タンクの内部を大気圧以下の減圧状態にまで強制的に排気できる排気手段と、前記第１吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第１流路と、前記第１吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第２流路と、前記第２吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第３流路と、前記第２吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第４流路と、前記第３吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導く第５流路と、前記第３吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導く第６流路と、前記第１吸着タンクのガス出口と前記排気手段とを接続する第７流路と、前記第２吸着タンクのガス出口と前記排気手段とを接続する第８流路と、前記第３吸着タンクのガス出口と前記排気手段とを接続する第９流路と、前記第１〜第９の各流路を開状態または閉状態にする流路制御手段と、を有し、前記ガス供給手段は、前記第１乃至第３吸着タンクの何れか一つの吸着タンクに第１圧力Ｐ１で前記供給ガスを供給するとともに他の一つの吸着タンクに第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で前記供給ガスを供給し、さらに他の一つの吸着タンクには前記供給ガスを供給しないことが可能なものであり、前記流路制御手段により前記第１乃至第９流路の開閉状態を制御して、前記第１圧力Ｐ１で前記供給ガスが供給されている前記第１乃至第３の何れかの吸着タンクからの排出ガスを前記第１捕集タンクに導いて前記第１ガスを捕集するとともに、前記第２圧力Ｐ２で前記供給ガスが供給されている前記第１乃至第３の何れかの吸着タンクからの排出ガスを前記第２捕集タンクに導いて前記第２ガスを捕集し、同時に、前記供給ガスが供給されていない前記第１〜第３の何れかの吸着タンクの内部を前記排気手段によって排気するガス分離装置である。本発明では、３つの吸着タンクを利用し、吸着タンクの一つを強制的に減圧以下に排気することができるようにして、吸着材の再生を効率的に行うことができる。同一の処理サイクルにある他の２つの吸着タンクにおいては高メタン価の第１ガスと低メタン価の第２ガスへの分離処理を並行して行うことになる。
【００１８】
なお、これらガス分離装置において、前記ガス供給手段による前記吸着タンク、または前記第１、第２もしくは第３吸着タンクへのガス供給（前記第１圧力Ｐ１での前記供給ガスの供給、前記第２圧力Ｐ２での前記供給ガスの供給または前記供給ガスを供給しない）を一定周期で切替えることができる。また、前記第１捕集タンクのガス入口にメタン価モニタをさらに備え、前記メタン価モニタの出力値を参照して、前記ガス供給手段による前記吸着タンク、または前記第１、第２もしくは第３吸着タンクへの前記供給ガスのガス供給（前記第１圧力Ｐ１での前記供給ガスの供給、前記第２圧力Ｐ２での前記供給ガスの供給または前記供給ガスを供給しない）を制御することができる。この場合、メタン価モニタの出力値に応じて吸着と再生の処理タイミングの切り替えを制御するので、吸着材の劣化や温度による吸着量の変動が発生してもこれに対応して安定なメタン価の相違するガス分離が実行できる。なお、ここでの制御には、単にバルブ等の流量制御手段を切替えることの他、供給ガスの供給圧力を制御することも含む。また制御には、バルブのオンオフ制御の他、ＰＩＤ制御等のフィードバック制御、将来値を予測し、目標値の変動が発生してもより素早い目標値への到達が期待できるフィードフォワード制御、フィルタ係数等の制御パラメータを適応的に制御する適応制御等、各種の既存の制御手法を適用できる。
【００１９】
前記したガス分離装置において、炭化水素化合物は、メタン、エタン、プロパンおよびブタンとすることができる。また、吸着材としては、活性炭、ゼオライト、有機金属錯体、アルミナまたはシリカを例示できる。吸着材は、都市ガスあるいは天然ガスなどの燃料ガスを吸着しうる物体であり、Ｃ１ガスとそれより高分子の炭化水素ガスとで、単位圧力変動当たりの吸着量の差が相違するものであればその材料や構造に制限はない。なお、特に前記供給ガスとして都市ガスを適用する場合には、前記吸着材として、活性炭を適用し、前記第１圧力Ｐ１として０．１〜１ＭＰａの範囲内、且つ、前記第２圧力Ｐ２として０．０１〜０．３ＭＰａの範囲内（ただしＰ１＞Ｐ２の条件を満足する範囲に限る）とするのが良好である。
【００２０】
なお、本願発明は、前記したガス分離装置を用いたガス分離方法として把握することも可能である。すなわち、複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを、前記供給ガスのメタン価ＭＮｓより高いメタン価の第１ガスと、前記メタン価ＭＮｓより低いメタン価の第２ガスとに分離するガス分離方法であって、（ａ）吸着材が充填された吸着タンクに前記供給ガスを第１圧力Ｐ１で供給し、前記吸着タンクから排出される前記第１ガスを第１捕集タンクに捕集するステップと、（ｂ）前記吸着タンクに前記供給ガスを第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で供給し、前記吸着タンクから排出される前記第２ガスを第２捕集タンクに捕集するステップと、前記（ａ）および（ｂ）のステップを繰り返すステップと、を有するガス分離方法である。前記（ａ）ステップで吸着工程を、前記（ｂ）ステップで再生工程を実行していることになる。吸着工程では、前記の通り高メタン価ガス（第１ガス）が得られ、再生工程では前記の通り低メタン価ガス（第２ガス）が得られる。
【００２１】
前記方法において、前記吸着タンクを複数有し、前記吸着タンク毎の前記（ａ）または前記（ｂ）のステップを、前記（ａ）および前記（ｂ）のステップを処理するに要する時間Ｔを前記複数の吸着タンクの本数Ｎで除した時間Ｔ／Ｎだけずらしたタイミングで開始することができる。本方法によれば、並列処理による分離効率の向上および時間的に安定した分離処理の実現が図れる。
【００２２】
また、複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを、前記供給ガスのメタン価ＭＮｓより高いメタン価の第１ガスと、前記メタン価ＭＮｓより低いメタン価の第２ガスとに分離するガス分離方法であって、（ａ）吸着材が充填された第１吸着タンクに前記供給ガスを第１圧力Ｐ１で供給するとともに前記第１吸着タンク同様の第２吸着タンクに前記供給ガスを第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で供給し、前記第１吸着タンクから排出される前記第１ガスを第１捕集タンクに捕集するとともに前記第２吸着タンクから排出される前記第２ガスを第２捕集タンクに捕集するステップと、（ｂ）前記第２吸着タンクに前記供給ガスを前記第１圧力Ｐ１で供給するとともに前記第１吸着タンクに前記供給ガスを前記第２圧力Ｐ２で供給し、前記第２吸着タンクから排出される前記第１ガスを前記第１捕集タンクに捕集するとともに前記第１吸着タンクから排出される前記第２ガスを前記第２捕集タンクに捕集するステップと、前記（ａ）および（ｂ）のステップを繰り返すステップと、を有するガス分離方法である。本方法によれば、２つの吸着タンクにより、高圧力での吸着工程（第１ガスへの分離）と低圧力での吸着（第２ガスへの分離：再生工程）を同時に実施できる。前記（ａ）および（ｂ）ステップのステップを切替えることにより吸着と再生を交互に実施することができる。
【００２３】
さらに、複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを、前記供給ガスのメタン価ＭＮｓより高いメタン価の第１ガスと、前記メタン価ＭＮｓより低いメタン価の第２ガスとに分離するガス分離方法であって、（ａ）吸着材が充填された第１吸着タンクに前記供給ガスを第１圧力Ｐ１で供給するとともに前記第１吸着タンク同様の第２吸着タンクに前記供給ガスを第２圧力Ｐ２（ただしＰ１＞Ｐ２）で供給し、同時に前記第１および第２吸着タンク同様の第３吸着タンクの内部を大気圧以下の減圧状態まで排気し、前記第１吸着タンクから排出される前記第１ガスを第１捕集タンクに捕集するとともに前記第２吸着タンクから排出される前記第２ガスを第２捕集タンクに捕集するステップと、（ｂ）前記第３吸着タンクに前記供給ガスを前記第１圧力Ｐ１で供給するとともに前記第１吸着タンクに前記供給ガスを前記第２圧力Ｐ２で供給し、同時に前記第２吸着タンクの内部を大気圧以下の減圧状態まで排気し、前記第３吸着タンクから排出される前記第１ガスを前記第１捕集タンクに捕集するとともに前記第１吸着タンクから排出される前記第２ガスを前記第２捕集タンクに捕集するステップと、（ｃ）前記第２吸着タンクに前記供給ガスを前記第１圧力Ｐ１で供給するとともに前記第３吸着タンクに前記供給ガスを前記第２圧力Ｐ２で供給し、同時に前記第１吸着タンクの内部を大気圧以下の減圧状態まで排気し、前記第２吸着タンクから排出される前記第１ガスを前記第１捕集タンクに捕集するとともに前記第３吸着タンクから排出される前記第２ガスを前記第２捕集タンクに捕集するステップと、前記（ａ）〜（ｃ）のステップを繰り返すステップと、を有するガス分離方法である。本方法によれば、３つの吸着タンクにより、高圧力での吸着工程（第１ガスへの分離）と低圧力での吸着（第２ガスへの分離）と吸着材の再生工程とを同時に実施できる。前記（ａ）〜（ｃ）の各ステップを順次切替えることにより第１ガス分離、第２ガス分離および再生を順次サイクリックに実施することができる。
【００２４】
これらガス分離方法において、前記したような供給ガス圧力の切り替えまたは制御、供給ガスあるいは吸着材の選択を適用できることは勿論である。
【００２５】
また、本願では、前記したガス分離装置、ガス分離方法の発明の開示に止まらず、これらを用いたガスエンジンコジェネレーションシステムとしても本願発明を開示する。すなわち、複数種の炭化水素化合物が混合された供給ガスを燃料とし、ガスエンジンと、燃焼熱利用装置と、前記供給ガスを分離するガス分離装置とを備えたガスエンジンコジェネレーションシステムであって、ガス分離装置として前記した発明のガス分離装置を適用し、前記第１ガスを前記ガスエンジンに、前記第２ガスを前記燃焼熱利用装置に供給するガスエンジンコジェネレーションシステム、である。このようなガスエンジンコジェネレーションシステムでは高メタン価の第１ガスをガスエンジンに供給してガスエンジンの出力を増加できることに加えて、低メタン価（すなわち高熱量）の第２ガスを燃焼系に供給して大きな熱量を得ることができる。すなわち、ガスエンジンコジェネレーションシステムの発電容量を増加するとともに全体の効率を向上することができる。
【００２６】
前記したガスエンジンコジェネレーションシステムにおけるガス分離装置に、前記したような供給ガス圧力の切り替えまたは制御、供給ガスあるいは吸着材の選択を適用できることは勿論である。
【００２７】
さらに、前記したガスエンジンコジェネレーションシステムにおいて、前記ガス分離装置から前記ガスエンジンへの前記第１ガスの供給経路に第２メタン価モニタがさらに備えられ、前記第２メタン価モニタの出力値によって、前記ガスエンジンの出力を制御する手段をさらに備えるものとすることができる。ガスエンジンの供給される燃料ガスのメタン価を第２メタン価モニタによってモニタするので、ガスエンジンの出力をモニタ値に応じて適切に制御することができる。高メタン価の第１ガスがガスエンジンの供給できるのでガスエンジンには出力の余裕が発生する。このような余裕があるので出力制御も可能になるという背景もある。
【００２８】
また、前記したガスエンジンコジェネレーションシステムにおいて、前記第２ガスを、前記ガスエンジンの排気ガス脱硝処理設備における還元剤として利用することができる。銀―アルミナ触媒を用いた脱硝処理では、炭化水素ガスも還元剤として利用することが可能である。炭化水素ガスを還元剤とする場合、Ｃ１ガスよりＣ３ガスやＣ４ガスの方が還元性に優れているため、Ｃ３ガス、Ｃ４ガスの組成比率の高い第２ガスを用いれば、効率の良い脱硝処理が行える。また、炭化水素ガスを還元剤とすれば、高コストのアンモニアや尿素を用いる必要がなくなり、コストの削減も図ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本願の発明によれば、供給される都市ガスをメタン価の高いガスとメタン価の低いガスとに分離するガス分離技術を提供できる。また、分離された高メタン価ガスをガスエンジンに供給してガスエンジンの出力を増加するとともに、低メタン価（高熱量）のガスを燃焼系に供給してシステム全体の効率を高めることができる。また、高メタン価のガスが利用可能になるので、メタン価６６程度の燃料ガスを前提とする日本向け仕様のガスエンジンのみならず、たとえばヨーロッパ向け仕様のガスエンジンを選択できる可能性が広がる。また、低メタン価ガスはＣ４ガスおよびＣ３ガスを多く含むので、炭化水素ガスを還元剤とする脱硝処理を採用する場合には低メタン価ガスを還元剤として利用して脱硝処理の効率化およびコストの低減を図ることができる。さらに、ガスエンジンの出力を最適に制御して燃料効率等の向上を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例であるガスエンジンコジェネレーションシステムの一例を示したブロック図である。本実施の形態のガスエンジンコジェネレーションシステムは、ガス分離装置１、ガスエンジン２、ボイラー３、メタン価モニタ４、エンジン出力コントローラ５を有する。
【００３１】
ガス分離装置１は、都市ガスを高メタン価の第１ガスと低メタン価の第２ガスとに分離する装置である。都市ガスとしてはＣ１ガス８７．７％、Ｃ２ガス６％、Ｃ３ガス４．９％、Ｃ４ガス１．４％の平均組成、メタン価６６を有する１３Ａガス（以下単に１３Ａガスという）を例示できる。ガス分離装置１については後に詳述する。ガスエンジン２は、ガス分離装置１からの第１ガス（高メタン価ガス）を燃料として駆動される内燃機関である。ガスエンジン２の回転軸によって、図示しない発電機を駆動し、電源を提供する。ボイラー３は、ガス分離装置１からの第２ガス（低メタン価ガス）を燃焼し、その燃焼熱を利用する熱機器である。なお、ここではボイラーを例示しているが、ボイラー以外の燃焼熱利用機器が適用されてもかまわない。たとえば、第２ガスを酸化触媒で燃焼し、その排熱を熱交換器により回収するような系に適用できる。本実施の形態のガスエンジンコジェネレーションシステムでは、ガス分離装置１によって１３Ａガスが高メタン価の第１ガスと低メタン価の第２ガスとに分離されるため、高メタン価ガス（第１ガス）をガスエンジン２に供給してガスエンジン２の出力を増大できる。これにより、発電容量を増加できる。一方、低メタン価ガス（第２ガス）は１３ＡガスよりＣ３ガスやＣ４ガスの組成比が高まっている。このため単位体積当たりの第２ガスの熱量は１３Ａガスのそれより大きく、熱量の高い第２ガスをボイラー３に供給してガスエンジンコジェネレーションシステムのエネルギー変換効率を高めることができる。第２ガスを酸化触媒により燃焼し排ガスの熱回収を行う場合には、第２ガスの燃焼熱量が高いため排ガス温度が高くなり熱回収における効率を高めることができる。
【００３２】
エンジン出力コントローラ５は、メタン価モニタ４からの出力値を参照し、その出力値に応じたガスエンジン２の出力を制御する。メタン価モニタ４は、ガス分離装置１から供給される第１ガス（高メタン価ガス）のメタン価を計測して出力するモニタ装置である。たとえば、赤外線吸光度の測定値から構成ガス比を推定しメタン価を算出する方式、ガス熱量を測定してメタン価を推定する方式のメタン価モニタが例示できる。前記の通り本実施の形態のガスエンジンコジェネレーションシステムではガス分離装置１によって１３Ａガスよりメタン価の高い第１ガスがガスエンジン２に供給される。このため、ガスエンジン２には出力余裕を生じる。出力に十分な余裕がある場合にはガスエンジン２の出力を抑制して燃料消費効率を高めることが可能になる。ガスエンジン２の出力余裕の大きさはメタン価によって推定が可能なので、本実施の形態ではガスエンジン２に供給される第１ガスのメタン価をメタン価モニタ４によってモニタし、エンジン出力コントローラ５によりモニタ値に応じたガスエンジン２の出力制御を行っている。
【００３３】
図２は、ガス分離装置１の一例を示したブロック図である。ガス分離装置１には、第１吸着タンク１１、第２吸着タンク１２、第１捕集タンク１３、第２捕集タンク１４、レギュレータ１５、逆止弁１６、バルブＶ１〜Ｖ８を含む。
【００３４】
第１吸着タンク１１および第２吸着タンク１２にはガス供給口から１３Ａガスが供給される。ただし、１３Ａガスは、高圧側ポート１７に直接供給される経路と、レギュレータ１５および逆止弁１６を介して低圧側ポート１８に供給される経路の２つの経路で供給される。高圧側ポート１７での圧力は供給圧力そのままである。たとえば０．５ＭＰａを例示できる。低圧側ポート１８の圧力はレギュレータ１５で供給圧力以下に減圧された圧力である。たとえば０．１ＭＰａを例示できる。
【００３５】
高圧側ポート１７と第１吸着タンク１１の入口ポート１９との経路にはバルブＶ１が配置される。低圧側ポート１８と第１吸着タンク１１の入口ポート１９との経路にはバルブＶ２が配置される。第１吸着タンク１１の出口ポート２１と第１捕集タンク１３の入口ポート２３との経路にはバルブＶ３が配置される。第１吸着タンク１１の出口ポート２１と第２捕集タンク１４の入口ポート２４との経路にはバルブＶ４が配置される。同様に、第２吸着タンク１２の入口ポート２０および出口ポート２２を経由する高圧側ポート１７および低圧側ポート１８から第１および第２捕集タンク１３，１４の入口ポート２３，２４に至る経路には図２に示すようにバルブＶ５〜Ｖ８が配置されている。第１捕集タンク１３からは高メタン価の第１ガスが、第２捕集タンク１４からは低メタン価の第２ガスが貯蓄され、使用に応じて適宜供給されることになる。
【００３６】
第１および第２吸着タンク１１，１２の内部にはたとえば活性炭からなる吸着材が充填されている。ここでは活性炭を例示するが、ゼオライト、有機金属錯体、アルミナ、シリカ等炭化水素ガスを吸着する能力のある吸着材であればそれを適用できる。
【００３７】
以下、第１および第２吸着タンク１１，１２に１３Ａガスを通過させた場合の吸着挙動について説明する。図３は、Ｃ１ガス（メタン）、Ｃ３ガス（プロパン）およびＣ４ガス（ブタン）のガス吸着量を平衡吸着圧力の関数として示した実験結果のグラフである。吸着材は一般的な活性炭である。この実験結果から以下の考察が得られる。まず、Ｃ１ガスに比較してＣ４ガス、Ｃ３ガスの吸着量は格段に大きい。たとえば０．５ＭＰａで１３Ａガスを供給した場合を考える。この場合、Ｃ１ガスの分圧は０．４３８５ＭＰａ（３２８９Ｔｏｒｒ）であり、図３の結果を外挿すると活性炭１ｇ当たりのガス吸着量は約２．５ｍｍｏｌである。同条件におけるＣ４ガスの分圧は７ｋＰａ（５３Ｔｏｒｒ）であり、図３の結果から活性炭１ｇ当たりのガス吸着量は約５ｍｍｏｌである。同条件におけるＣ３ガスの分圧は２４．５ｋＰａ（１８４Ｔｏｒｒ）であり、図３の結果から活性炭１ｇ当たりのガス吸着量は約５ｍｍｏｌである。よって、１３Ａガスを通過させた場合のガス吸着挙動では、Ｃ１ガスが８７．７％もの組成比を有するにも関わらず、Ｃ４ガス、Ｃ３ガスの吸着が支配的になっているといえる。
【００３８】
次に、圧力が高くなるほどＣ４ガス、Ｃ３ガスの吸着量は増加する。よって、ある圧力からより高い圧力に移行した後の高圧力期間では、少なくとも吸着が飽和するまでＣ４ガスおよびＣ３ガスが１３Ａガスから選択的に抜取られる。この結果、高圧力期間に活性炭を通過する通過ガスのＣ４ガスおよびＣ３ガスの組成比は低下し、１３Ａガスより高いメタン価のガスが得られる。逆に、ある圧力からより低い圧力に移行した後の低圧力期間では、吸着していたＣ３ガスおよびＣ４ガスが離脱するので、活性炭を通過する通過ガスに含まれるＣ４ガスおよびＣ３ガスの量が増加する。この結果、Ｃ４ガスおよびＣ３ガスの組成比が増加し、１３Ａガスより低いメタン価のガスが得られる。なお、低圧力期間での脱着挙動は、活性炭からのガス離脱であり活性炭の再生過程であると理解できる。
【００３９】
上記の知見を応用すれば、１３Ａガスから連続的に高メタン価ガスと低メタン価ガスとを分離できる。すなわち、高圧力と低圧力の２つの圧力間をスイングし、高圧力期間では高メタン価ガスを、低圧力期間では低メタン価ガスを捕集すればよい。低圧力期間では活性炭の再生も行われるので別途再生期間を設けることなく、連続的なガス分離が行える。図４は、１３Ａガス供給圧力を０．１ＭＰａと０．５ＭＰａとの間でスイングさせたときの通過ガスのメタン価を経過時間について示したグラフである。高圧力期間ではほぼ７０程度のメタン価が得られ、低圧力期間では６０〜６４程度のメタン価が得られている。
【００４０】
上記の通り、１３Ａガスの供給圧力をスイングすれば吸着タンクの出口ポートから流出するガスのメタン価を制御させることができる。よって、図２のガス分離装置１において、第１および第２吸着タンク１１，１２の入口ポート１９，２０に適切な圧力で１３Ａガスが供給され、第１および第２吸着タンク１１，１２の出口ポート２１，２２から流出する高メタン価の第１ガスおよび低メタン価の第２ガスを適切に第１および第２捕集タンク１３，１４に捕集されるようバルブＶ１〜Ｖ８の制御を行えばよい。たとえば、バルブＶ１およびＶ６を開にして、第１吸着タンク１１に高圧力（たとえば０．５ＭＰａ）、第２吸着タンク１２に低圧力（たとえば０．１ＭＰａ）の１３Ａガスを供給し、バルブＶ３およびＶ８を開にして、第１吸着タンク１１からの高メタン価ガスを第１捕集タンク１３に、第２吸着タンク１２からの低メタン価ガスを第２捕集タンク１４に捕集できる。その他のバルブは閉である。そして、吸着が飽和するまでの適切な期間の後に、バルブＶ２およびＶ５を開にして、第１吸着タンク１１に低圧力、第２吸着タンク１２に高圧力の１３Ａガスを供給し、バルブＶ４およびＶ７を開にして、第１吸着タンク１１からの低メタン価ガスを第２捕集タンク１４に、第２吸着タンク１２からの高メタン価ガスを第１捕集タンク１３に捕集できる。その他のバルブは閉である。なお、前記説明から明らかに、Ｖ１とＶ２、Ｖ３とＶ４、Ｖ５とＶ６、Ｖ７とＶ８は相補的に動作し、一方が開であれば他方は閉である。
【００４１】
このように第１吸着タンク１１が高圧力期間（吸着過程）にある間は第２吸着タンク１２を低圧力期間（再生過程）にし、これを定期的に切替えることによって効率の良い分離処理が行える。なお、高圧力期間と低圧力期間の切替え周期は、活性炭への吸着が飽和するまでの期間であって前記分離を行うに十分な時間が確保される条件を満足するなら任意である。たとえば１時間程度を例示することができる。
【００４２】
本実施の形態のガスエンジンコジェネレーションシステムによれば、メタン価の高い第１ガスをガスエンジン２に供給し、熱量の高い第２ガスをボイラー３に供給する。このため、発電容量を大きくし、燃焼熱を増加し、システムの出力増加とエネルギー効率の改善を図ることができる。
【００４３】
以上、本発明を具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。たとえば、上記実施の形態では、ガス供給手段として高圧側ポート１７と低圧側ポート１８とによって独立に高圧および低圧の供給ガスが供給される例を説明した。しかし、たとえば、高圧ポート１７へのガス供給圧力（たとえば０．５ＭＰａ）以上の圧力で供給ガスを供給し、これをたとえば圧力制御弁等の圧力制御手段によって適切な圧力に制御する構成も適用できる。この場合、高圧用および低圧用の独立な２つのガス供給手段を用意する必要がある。
【００４４】
また、上記実施の形態では、本発明をガスエンジンコジェネレーションシステムとして説明したが、ガス分離装置および方法としても把握することも可能である。この場合、分離対象のガスは都市ガスに限られず、天然ガス等他の炭化水素ガスであってもかまわない。
【００４５】
また、前記実施の形態のガス分離装置１における第２吸着タンク１２は、第１吸着タンク１１と相補的な動作を行うことによって分離効率を高める機能がある。しかし、高メタン価ガスと低メタン価ガスとに分離するという観点からは、第２吸着タンク１２は必須ではない。第２吸着タンク１２を用いない場合にはバルブＶ５〜Ｖ８が不要であることは明白である。
【００４６】
前記実施の形態では、高圧力期間（吸着過程）と低圧力期間（再生過程）とを周期的に切替える例を説明した。しかし、必ずしも周期的に切替える必要はない。たとえば、図５に示すように、第１捕集タンク１３の入口付近３２にメタン価センサ３０を配置し、このメタン価センサ３０の出力値によってバルブ制御装置３１を制御し、切替えを行っても良い。バルブ制御装置３１は、メタン価センサ３０の出力値が所定値を下回った場合に高圧力期間（吸着過程）と低圧力期間（再生過程）とを切替えるバルブＶ１〜Ｖ８の操作を行う。第１ガスのメタン価は吸着が飽和に近づくにつれ低下するので、吸着挙動に即したバルブ操作の実行が図れる利点がある。環境温度や供給ガスの組成揺らぎ等によって吸着挙動は変動するので、変動因子に適応したより着実な切り替え操作を実現できる。
【００４７】
また、第１捕集タンク１３の入口付近３２にメタン価センサ３０を有する場合に、図６に示すように、ガス供給手段の供給ガス圧力を圧力調整バルブＶＶ１，ＶＶ２によって調整しても良い。この場合の制御方法として、ＰＩＤ制御等のフィードバック制御、将来値を予測し、目標値の変動が発生してもより素早い目標値への到達が期待できるフィードフォワード制御、フィルタ係数等の制御パラメータを適応的に制御する適応制御等、各種の既存の制御手法を適用できる。
【００４８】
また、前記実施の形態では、吸着タンクを２つ有する場合を説明したが、第１〜第３の３つの吸着タンク１１，１２，３５を有するように構成しても良い。この場合、第３吸着タンク３５への高圧側ポート１７からのガス供給経路にバルブＶ９を、低圧側ポート１８からのガス供給経路にバルブ１０を設け、第３吸着タンク３５にも高圧および低圧での供給ガスの供給を可能にする。また、ロータリーポンプ等の排気手段３６を設置し、各吸着タンクからの排出ガスを排気する経路にバルブＶ１１，Ｖ１２，Ｖ１５を配置する。さらに、第３吸着タンク３５からの排出ガスを第１捕集タンク１３、第２捕集タンク１４の各々に導く経路にバルブＶ１３、Ｖ１４を各々配置する。このような構成におけるガス分離装置では、第１吸着タンク１１に高圧の供給ガスを供給（Ｖ１が開、Ｖ５およびＶ９が閉）し、バルブＶ３を開、バルブＶ４およびＶ１１を閉にして高メタン価の第１ガスを第１捕集タンク１３に捕集でき、同時に、第２吸着タンク１２に低圧の供給ガスを供給（Ｖ６が開、Ｖ２およびＶ１０が閉）し、バルブＶ８を開、バルブＶ７およびＶ１２を閉にして低メタン価の第２ガスを第２捕集タンク１４に捕集でき、さらに同時に、バルブＶ１５を開、バルブＶ１３およびＶ１４を閉にして第３吸着タンク３５の内部を減圧し内部に充填されている吸着材を再生できる。なお、この第３吸着タンク３５内部の吸着材を再生している状態では、バルブＶ９およびＶ１０が閉じられているので供給ガスは供給されない。
【００４９】
すなわち、前記図７の変更例では、同一の処理サイクルにおいて第１ガスの分離、第２ガスの分離、吸着材の再生の各処理が３つの吸着タンクによって同時に実行される。これにより吸着材の再生処理を効率的に実施できる。なお、本例における処理サイクルの進行は前記同様所定周期あるいはメタン価センサ３０を利用した制御切替を適用できることは勿論である。また、前記図６のように供給ガス圧力を独立に制御できることも勿論である。なお、排気手段３６から排出されるガスは低メタン価ガス（第２ガス）であるので、これを第２ガスとして供給または第２捕集タンク１４に捕集するよう構成することが可能である。
【００５０】
吸着タンクを３つ有する前記変更例では、何れかの吸着タンクを減圧にして吸着タンク内の吸着材を再生する例を示している。しかし、吸着材の減圧による再生処理は必ずしも必要ではなく、吸着タンクを３つ以上にする構成の場合、各吸着タンクの分離処理を独立に制御して、各吸着タンクの処理サイクルを適切なタイミングでずらして処理を行うことができる。すなわち、図７を用いて例示すると、排気手段３６および排気手段３６の接続されるバルブＶ１１，Ｖ１２，Ｖ１５は必要でなく、第１吸着タンク１１、第２吸着タンク１２、第３吸着タンク３５の各吸着タンクへの供給ガスの供給圧力をバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ９，Ｖ１０によって任意に制御し、各吸着タンクへの供給圧力に応じてバルブＶ３，Ｖ４，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１３，Ｖ１４を適切に開閉制御すれば、各吸着タンクでのガス分離処理が独立に制御できる。そして、各吸着タンクへの供給ガス圧力をたとえば低圧力から高圧力に変更するタイミングを、処理サイクル周期Ｔ（各吸着タンクにおける高圧処理期間および低圧処理期間の合算期間）を吸着タンク本数３で割った時間Ｔ／３だけずらす。これにより、時間的に平均して安定な第１ガスおよび第２ガスを分離できる。すなわち、低圧から高圧に変更した直後には一般に第１ガスのメタン価は高くなり時間経過とともにメタン価が低下する傾向にあるが、各吸着タンクでの処理タイミングをずらすと時間的に平均して高いメタン価の第１ガスが第１捕集タンク１３に供給されるようになる。なお、本変更例における吸着タンクを３つ以上にできることは言うまでもない。
【００５１】
また、吸着タンクを１つ有する前記変更例、吸着タンクを２つ有する前記実施の形態、あるいは吸着タンクを３つ有し各吸着タンクを独立に処理制御する前記変更例では、各吸着タンクでの処理に減圧処理による吸着材の再生工程を有さない。これは吸着タンク内を積極的に減圧にするまでもなく供給ガスの低圧供給期間における第２ガスの分離工程が吸着材の再生工程をも兼ねているからであるが、より効率的に吸着材の再生を行うことを考慮して、これら各吸着タンクにおける一連の処理サイクルにおいて、吸着タンク内を積極的に減圧にする再生工程を追加することができるのは勿論である。
【００５２】
また、前記実施の形態では、低メタン価の第２ガスをボイラー３に供給して燃焼熱源として利用する例を説明した。しかし、低メタン価の第２ガスは、たとえば図８に示すように脱硝処理装置４０に供給することも可能である。脱硝処理では、炭化水素ガスも還元剤として利用することが可能である。炭化水素ガスを還元剤とする場合、Ｃ１ガスよりＣ３ガスやＣ４ガスの方が還元性に優れているため、Ｃ３ガス、Ｃ４ガスの組成比の高い第２ガスを用いれば、効率の良い脱硝処理が行える。また、第２ガスを還元剤とすれば、高コストのアンモニアや尿素を用いる必要がなくなり、コストの削減も図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本願発明は、ガス分離装置および方法に関する発明であり、都市ガス利用のガスエンジンコジェネレーションシステムに適用することが可能な発明である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施例であるガスエンジンコジェネレーションシステムの一例を示したブロック図である。
【図２】ガス分離装置１の一例を示したブロック図である。
【図３】Ｃ１ガス（メタン）、Ｃ３ガス（プロパン）およびＣ４ガス（ブタン）のガス吸着量を平衡吸着圧力の関数として示した実験結果のグラフである。
【図４】１３Ａガス供給圧力を０．１ＭＰａと０．５ＭＰａとの間でスイングさせたときの通過ガスのメタン価を経過時間について示したグラフである。
【図５】ガス分離装置の他の例を示したブロック図である。
【図６】ガス分離装置のさらに他の例を示したブロック図である。
【図７】ガス分離装置のさらに他の例を示したブロック図である。
【図８】ガスエンジンコジェネレーションシステムの他の例を示したブロック図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…ガス分離装置、２…ガスエンジン、３…ボイラー、４…メタン価モニタ、５…エンジン出力コントローラ、１１…第１吸着タンク、１２…第２吸着タンク、１３…第１捕集タンク、１４…第２捕集タンク、１５…レギュレータ、１６…逆止弁、１７…高圧側ポート、１８…低圧側ポート、１９…第１吸着タンクの入口ポート、２０…第２吸着タンクの入口ポート、２１…第１吸着タンクの出口ポート、２２…第２吸着タンクの出口ポート、２３…第１捕集タンクの入口ポート、２４…第１捕集タンクの入口ポート、３０…メタン価センサ、３１…バルブ制御装置、３５…第３吸着タンク、１６…排気手段、４０…脱硝処理装置、Ｖ１〜Ｖ１５…バルブ、ＶＶ１，ＶＶ２…圧力調整バルブ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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