(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスから被吸着ガスを吸着して精製ガスを分離精製するガス精製装置において、
原料ガスを供給して被吸着ガスの吸着と排出を交互に行う第一吸着塔及び第二吸着塔と、
前記第一吸着塔または第二吸着塔で被吸着ガスを吸着した後の一次精製ガスを供給して更に被吸着ガスを吸着することで二次精製ガスを精製する仕上塔と、
前記第一吸着塔及び第二吸着塔で精製した一次精製ガスと前記仕上塔で精製した二次精製ガスとをそれぞれ前記第一吸着塔及び第二吸着塔の上流側の管路に戻すバイパス管路と、を備え、
前記バイパス管路を通して前記第一吸着塔及び第二吸着塔の上流側の前記管路に戻した一次精製ガスと二次精製ガスを、原料ガスと共に前記第一吸着塔または第二吸着塔に再び供給して被吸着ガスを吸着して精製するようにしたことを特徴とするガス精製装置。
【請求項２】
前記第一吸着塔及び第二吸着塔で被吸着ガスの吸着と排出を交互に行う間に前記仕上塔で被吸着ガスの吸着を更に行い、
前記第一吸着塔及び第二吸着塔の休止の間に前記仕上塔で吸着剤に吸着された被吸着ガスの排出を行うようにした請求項１に記載されたガス精製装置。
【請求項３】
原料ガスから被吸着ガスを吸着して精製ガスを分離精製するガス精製方法において、
原料ガスを供給する第一吸着塔及び第二吸着塔における一方の吸着塔内の吸着剤で被吸着ガスを吸着すると共に他方の吸着塔内の吸着剤から被吸着ガスを排出することを交互に繰り返して行うことで一次精製ガスを精製する工程と、
前記第一吸着塔または第二吸着塔で精製した一次精製ガスを仕上塔に供給して更に吸着剤で被吸着ガスを吸着して二次精製ガスを精製する工程と、
前記第一吸着塔及び第二吸着塔で精製した一次精製ガスと前記仕上塔で精製した二次精製ガスとをそれぞれバイパス管路を通して前記第一吸着塔及び第二吸着塔の上流側の管路に戻す工程と、
前記管路に戻した一次精製ガスと二次精製ガスを原料ガスと共に前記第一吸着塔及び第二吸着塔に再び供給して被吸着ガスを吸着して精製する工程と、を備えたことを特徴とするガス精製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料混合ガスから障害となるガス成分をＶＰＳＡ（Vacuum Pressure Swing Adsorption）方式またはＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）方式等によって分離除去して所要のガスを精製するようにしたガス精製装置とガス精製方法に関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来、原料混合ガスから特定のガス成分を分離回収する装置として、種々のガス精製装置が提案されている。吸着塔内には、使用目的により活性炭やゼオライトなどの吸着剤が充填され、圧力が高いときに吸着量が多く圧力が低いときには吸着量が少ない特性を利用して、圧力を変動させて原料ガス中の特定の成分を精製している。
代表的な精製装置として、空気中の酸素を濃縮するＰＳＡ装置やバイオガス中のメタンガスを濃縮するＶＰＳＡ装置が知られている。そして、脱着する際に真空に近い状態まで圧力を下げる方式をＶＰＳＡと言い、大気圧程度で脱着する方式をＰＳＡと言って区別する場合がある。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載されたメタンガス精製装置では、メタンガス(濃度約６０％)と二酸化炭素ガス(濃度約４０％)を含む原料ガスを、第一吸着塔と第二吸着塔に交互に供給している。一方の吸着塔内の吸着剤で原料ガスから二酸化炭素ガスを吸着すると共に他方の吸着塔内で吸着剤に吸着した二酸化炭素ガスの排出を行うことを交互に繰り返すことで連続して処理している。
そして、第一吸着塔と第二吸着塔で二酸化炭素ガスを分離したメタンガスを精製ガスタンクに貯留したり、直接ボイラーに供給したりしている。また、第一吸着塔と第二吸着塔で吸着した二酸化炭素ガスは排出されて排ガスタンクに貯留している。
【０００４】
バイオガスの成分は原料(家畜糞尿や食品残渣など)の種類によって異なるが、一般的にはメタン濃度が４０〜８０％、二酸化炭素ガス濃度が２０〜６０％であり、他に水分、硫化水素、シロキサン、アンモニア等が含まれている。バイオガス精製では、前処理として、粉塵、水分、硫化水素等を除去した後、ＶＰＳＡ装置またはＰＳＡ装置によって、二酸化炭素を吸着・脱着させることで、メタン濃度の高い精製ガスを得ている。
【０００５】
必要とされる精製ガスの濃度は用途に応じてさまざまであり、例えばガスエンジンによるバイオガス発電では、メタンガスとして５０〜６０％以上のメタン濃度があれば、硫化水素、水分、シロキサン等の有害物質を除去することで利用できる。原料のメタン濃度を高くすることで精製ガスの効率を向上することはできるが、メタン濃度を高めるためのバイオガス精製装置までは必ずしも必要とされない。精製ガスをバイオガスボイラーの燃料として用いる場合も同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−２２６６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、精製ガスをＣＮＧ(天然ガス)車などの自動車燃料として利用する場合などには、有害物質の除去に加えて９５％以上の高いメタン濃度が要求され、好ましくは１００％に近いメタン濃度が求められる。精製ガスを高圧ボンベや吸蔵装置を用いて、バイオガス発生場所から利用場所に移動させて利用する場合にも、メタン濃度が高い程効率が良い。また、高圧ボンベから減圧して利用するので、減圧する際に大きく熱を吸収することから、水分が高いと凍結する危険があるし、二酸化炭素の濃度が高いとドライアイスになる危険もある。都市ガス導管に注入して利用する場合にも、非常に高いガス精製基準が設けられている。
しかし、特許文献１に記載されたような従来の１組の吸着塔による精製装置では、精製ガス中のメタン濃度は８０〜９０％程度であり、実用的な運転条件で安定して９５％以上の高濃度の精製ガスを製造することは極めて困難であった。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡単且つ省スペースの設備で効率よく高精度の精製ガスを製造できるようにしたガス精製装置とガス精製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるガス精製装置は、原料ガスから被吸着ガスを吸着して精製ガスを分離精製するガス精製装置において、原料ガスを供給して被吸着ガスの吸着と排出を交互に行う第一吸着塔及び第二吸着塔と、第一吸着塔または第二吸着塔で被吸着ガスを吸着した後の一次精製ガスを供給して更に被吸着ガスを吸着することで二次精製ガスを精製する仕上塔と、第一吸着塔及び第二吸着塔で精製した一次精製ガスと仕上塔で精製した二次精製ガスとをそれぞれ第一吸着塔及び第二吸着塔の上流側の管路に戻すバイパス管路と、を備え、バイパス管路を通して第一吸着塔及び第二吸着塔の上流側の管路に戻した一次精製ガスと二次精製ガスを、原料ガスと共に第一吸着塔または第二吸着塔に再び供給して被吸着ガスを吸着して精製するようにしたことを特徴とする。
本発明によれば、原料ガスを第一吸着塔及び第二吸着塔に交互に供給して一方で吸着剤によって被吸着ガスを吸着して一次精製ガスを精製すると共に他方で吸着剤に吸着された被吸着ガスを排出することで、一次精製ガスを交互に繰り返して製造でき、交互に得られた一次精製ガスは仕上塔に供給されて残った被吸着ガスを吸着剤で更に吸着してより高濃度の二次精製ガスが得られる。しかも、第一吸着塔及び第二吸着塔で製造した一次精製ガスと仕上塔で製造した二次精製ガスの一部はそれぞれバイパス管路を通して第一吸着塔及び第二吸着塔の上流側の管路に戻し、原料ガスと混合して再度、第一吸着塔及び第二吸着塔、そして仕上塔で精製されるために、一層、高濃度な精製ガスを製造できる。また、第一吸着塔、第二吸着塔及び仕上塔に残留した一次精製ガス及び二次精製ガスをバイパス管路により上流側に戻して原料ガスと共に再び供給することができるので、精製ガスの回収率を向上させることができる。
【００１１】
また、第一吸着塔及び第二吸着塔で被吸着ガスの吸着と排出を交互に行う間に仕上塔で被吸着ガスの吸着を更に行い、第一吸着塔及び第二吸着塔の休止の間に仕上塔で吸着剤に吸着された被吸着ガスの排出を行うようにしてもよい。
第一吸着塔及び第二吸着塔で被吸着ガスの吸着と排出を交互に行う間に仕上塔で被吸着ガスの吸着を行うため、仕上塔での二次精製ガスの製造効率が高く、第一吸着塔及び第二吸着塔の休止の間に仕上塔で吸着剤から被吸着ガスを排出するため短時間ですみ、第一吸着塔及び第二吸着塔の休止時間を短くできて効率的である。
【００１３】
また、本発明によるガス精製方法は、原料ガスから被吸着ガスを吸着して精製ガスを分離精製するガス精製方法において、原料ガスを供給する第一吸着塔及び第二吸着塔における一方の吸着塔内の吸着剤で被吸着ガスを吸着すると共に他方の吸着塔内の吸着剤から被吸着ガスを排出することを交互に繰り返して行うことで一次精製ガスを精製する工程と、第一吸着塔または第二吸着塔で精製した一次精製ガスを仕上塔に供給して更に吸着剤で被吸着ガスを吸着して二次精製ガスを精製する工程と、第一吸着塔及び第二吸着塔で精製した一次精製ガスと仕上塔で精製した二次精製ガスとをそれぞれバイパス管路を通して第一吸着塔及び第二吸着塔の上流側の管路に戻す工程と、管路に戻した一次精製ガスと二次精製ガスを、原料ガスと共に第一吸着塔及び第二吸着塔に再び供給して被吸着ガスを吸着して精製する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、一次精製ガスと二次精製ガスをバイパス管路を通して管路に戻す処理は、第一吸着塔及び第二吸着塔と仕上塔における被吸着ガスの吸着工程の後の均圧工程でそれぞれ行うようにしてもよい。
本発明のガス精製方法では、一次精製ガスと二次精製ガスを繰り返して精製することでより高濃度な精製ガスを製造できると共に、精製した二次精製ガスを順次貯留または消費することができて効率的である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によるガス精製装置及びガス精製方法によれば、第一吸着塔及び第二吸着塔によって原料ガスから交互に被吸着ガスの吸着と排出を繰り返して一次精製ガスを製造し、この一次精製ガスを再び第一吸着塔及び第二吸着塔に供給して原料ガスと共に交互に分離精製するため、より高濃度の一次精製ガスを効率的に精製できる。
しかも、ガス精製装置の構成が簡単で占有スペースが小さくて済むため設置スペースと設備費の増大を抑えることができる。
【００１６】
また、本発明によるガス精製装置及びガス精製方法によれば、第一吸着塔及び第二吸着塔によって原料ガスから交互に一次精製ガスを製造し、この一次精製ガスを仕上塔に供給して二次精製ガスを製造できると共に、一次精製ガスと二次精製ガスをバイパス管路を通して第一吸着塔及び第二吸着塔の上流側に戻して原料ガスと共に再び供給するため、一層高濃度の精製ガスを効率的に精製できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第一実施形態によるガス精製装置の基本構成を示す図である。
【図２】本発明の第二実施形態によるガス精製装置の基本構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態によるガス精製装置について添付図面を参照して説明する。
図１は第一実施形態によるガス精製装置１を示すものであり、原料ガス、例えばバイオガス中のメタンガスを濃縮するＶＰＳＡ装置である。このガス精製装置１に用いる原料ガスは例えば下水処理場で発生する消化ガスや、養豚場等の家畜糞尿等から発生するバイオガス等である。この原料ガスは、例えばメタンガス（濃度約６０％）と二酸化炭素ガス（濃度約４０％）を含んでいる。
【００１９】
このガス精製装置１は、上述した原料ガスが管路２を通して供給され、粉塵や水分等を除去するための前処理設備３を介して原料ガスタンク４に貯留される。原料ガスタンク４から分岐された各管路２にブロワ５とバルブＳＶ１１がそれぞれ設置されている。その後、管路２が再び分岐され、その一方の管路２に第一吸着塔６Ａが、他方の管路２に第二吸着塔６Ｂがそれぞれ連結されている。
そして、管路２の第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂの下流側では管路２ａとバイパス管路２ｂに分岐され、一方の管路２ａの下流側には精製された高濃度メタンガスを貯留するための精製ガスタンク９が設置されている。
【００２０】
第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂの下流側で一方の管路２ａと分岐された他方のバイパス管路２ｂは合流して、原料ガスタンク４の上流側に設けた管路２に連結されている。そのため、第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂの下流側でそれぞれ分岐された管路２ａ、バイパス管路２ｂにそれぞれ設けたバルブＳＶ５及びＳＶ６とＳＶ７及びＳＶ８の各一方を開弁すると共に他方を閉弁することで、第一吸着塔６Ａ、第二吸着塔６Ｂで精製された一次精製ガスを精製ガスタンク９と原料ガスタンク４のいずれかに供給することができる。
【００２１】
また、第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂの入口側には、それぞれの塔内の吸着剤で吸着された二酸化炭素ガスを排ガスとして送り出す管路２ｃを介して貯留する排ガスタンク１０が設置されている。
第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂの上流側の管路２と下流側の管路２ｃにそれぞれ設けたバルブＳＶ１及びＳＶ２とＳＶ３及びＳＶ４は、バルブＳＶ１とバルブＳＶ３の一方を開弁した場合には他方を閉弁し、管路２の閉弁されたバルブＳＶ１またはバルブＳＶ３に隣接する管路２ｃのバルブＳＶ２またはバルブＳＶ４は開弁し、各吸着塔６Ａ、６Ｂ内の二酸化炭素ガスを排ガスタンク１０に排出することができる。また、管路２ｃの途中には各二酸化炭素ガスを排ガスタンク１０に強制的に送り込む真空ポンプＰが設置されている。
【００２２】
ここで、第一吸着塔６Ａと第二吸着塔６Ｂは例えば同一形状で同一の大きさとされ、内部は同じ構造になっている。即ち、第一吸着塔６Ａと第二吸着塔６Ｂ内には、下層から上層に向けて、主として水分を除去するためのシリカゲル等の第一吸着剤、シロキサンや硫化水素を除去するための活性炭等の第二吸着剤、二酸化炭素を除去するためのゼオライト等の第三吸着剤が積層されて充填されている。なお、第一吸着剤から第三吸着剤としてそれぞれ活性炭やゼオライトを用いてもよい。
第一吸着塔６Ａと第二吸着塔６Ｂは同形同大で各吸着剤の充填量が等しいため、二酸化炭素の吸着量と放出量は略同一にできる。そして、第一吸着塔６Ａと第二吸着塔６Ｂで交互に精製された一次精製ガスはメタン濃度が例えば８０〜９０％程度になる。
【００２３】
第一吸着塔６Ａと第二吸着塔６Ｂで精製された精製ガスは管路２ａを通って精製ガスタンク９に貯留される。第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂ内の吸着剤に吸着された二酸化炭素ガスである被吸着ガスは、各吸着剤から排出されて管路２ｃを通して排ガスタンク１０に貯留可能である。
第一吸着塔６Ａと第二吸着塔６Ｂの処理工程において、二酸化炭素ガスを各吸着剤で吸着した吸着塔６Ａ，６Ｂは圧力を高く設定し、吸着剤で吸着された二酸化炭素ガスを排出（脱気、放出）する他方の吸着塔６Ｂ，６Ａは圧力を比較的低く設定することで、吸着と排出の処理工程を切り替えるものとする。
【００２４】
また、第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂの上流側と下流側の各管路２，２ａ、２ｂ、２ｃにはストップバルブとして、バルブＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３、ＳＶ４、ＳＶ５、ＳＶ６、ＳＶ７、ＳＶ８、ＳＶ９、ＳＶ１１がそれぞれ取り付けられている。また、バルブＳＶ１１はブロワ５と並列の管路２に設置されている。
なお、図１では省略されているが、上述した従来技術のように第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂを連結する循環路を形成して内部を熱伝導性の高い不凍液等の熱媒体を流通させる伝熱手段を設けてもよい。この場合、一方の吸着塔で被吸着ガスを吸着する際に発生する吸着熱を、被吸着ガスを排出する他方の吸着塔に熱伝導させることができる。
【００２５】
本実施形態によるガス精製装置１は上述した構成を備えており、次にガス精製方法について説明する。
原料ガスタンク４からバイオガス等の原料ガスが管路２を通して第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂに供給され、第一吸着塔６Ａの吸着工程では、例えば第一吸着塔６ＡのバルブＳＶ１、ＳＶ５が開、バルブＳＶ２、ＳＶ６が閉とされた場合には第一吸着塔６Ａに原料ガスが供給される。すると、第一吸着塔６Ａ内では供給される原料ガスのうち水分やシロキサン・硫化水素と、被吸着ガスである二酸化炭素ガスが各吸着剤によって吸着され、メタンガスは吸着されないため高濃度となって第一吸着塔６Ａの下流側の管路２ａを通して精製ガスタンク９に充填される。
そして、第一吸着塔６Ａ内で二酸化炭素ガスが吸着剤に吸着される際に発熱して吸着熱を発生する。
【００２６】
一方、第二吸着塔６Ｂでは脱着工程として、管路２のバルブＳＶ３、ＳＶ７，ＳＶ８が閉、バルブＳＶ４が開とされ、第二吸着塔６Ｂ内の吸着剤に吸着された被吸着ガスである二酸化炭素ガスが放出され、バルブＳＶ４を介して管路２ｃから排ガスタンク１０に送られる。このとき、第二吸着塔６Ｂ内では二酸化炭素ガスが排出されることで冷却され温度が低下する。
なお、第一吸着塔６Ａで発生した吸着熱が図示しない伝熱手段を介して第一吸着塔６Ａから第二吸着塔６Ｂに伝達されて熱交換してもよい。第一吸着塔６Ａでは吸着熱を奪われるため温度が低下して二酸化炭素ガスの吸着量が増大し、第二吸着塔６Ｂでは冷却された吸着剤の温度が第一吸着塔６Ａから伝達される吸着熱によって上昇するため吸着剤からの二酸化炭素ガス放出量が増大する。こうして原料ガス中の二酸化炭素ガスの吸着と放出の処理効率を向上させることができる。
【００２７】
そして、均圧工程では、バルブＳＶ５が閉弁し、バルブＳＶ６，ＳＶ８が開弁することで、第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂのメタン濃度の高い一次精製ガスがバイパス管路２ｂを経由して原料ガスタンク４の上流側の管路２に供給され、原料ガスタンク４に貯留される。
第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂによって原料ガス中の二酸化炭素ガスの吸着と排出を行うことで、第一吸着塔６Ａ内の吸着剤の吸着量が飽和に近い状態または所定の大きさ以上になると、各バルブＳＶ１〜ＳＶ８の開閉を切り換える。第一吸着塔６Ａでは脱着工程として、バルブＳＶ２を開弁して吸着剤から二酸化炭素ガスの排出を行う。
これと同時に、第二吸着塔６Ｂでは吸着工程として、先に第一吸着塔６Ａから循環された一次精製ガスを混合した原料ガスが原料ガスタンク４から供給されて二酸化炭素ガスを吸着剤で吸着することでメタンガスの濃度を高濃度にして開弁したバルブＳＶ７から排出し、一次精製ガスとして管路２ａを通して精製ガスタンク９に充填する。第二吸着塔６Ｂでの精製ガスは第一吸着塔６Ａからフィードバックされた一次精製ガスを含んで更に二酸化炭素を吸着するため、一層高精度に精製できる。
【００２８】
次に第一吸着塔６Ａと第二吸着塔６Ｂは均圧工程となり、第二吸着塔６Ｂで精製されたメタン濃度の高い精製ガスはバイパス管路２ｂを介して原料ガスタンク４の上流側の管路２に供給され、原料ガスタンク４に貯留される。
こうして、第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂに交互に供給される原料ガスは第一または第二吸着塔６Ａ，６Ｂで精製された一次精製ガスを含むため、一層高濃度な一次精製ガスを製造して精製ガスタンク９に貯留することができる。
通常、第一吸着塔６Ａと第二吸着塔６Ｂによって交互に精製される一次精製ガスはメタン濃度８０〜９０％程度であるが、本実施形態による精製ガスはメタン濃度９０％を超えた高濃度になり、二酸化炭素濃度は原料ガスと比較して大幅に低減される。
また、均圧工程において、第一吸着塔６Ａまたは第二吸着塔６Ｂに残留していたメタン濃度の高い一次精製ガスがバイパス管路２ｂを介して原料ガスタンク４の上流側の管路２に供給されるので、一次精製ガスの回収率を向上させることができる。つまり、脱着工程で排出される第一吸着塔６Ａまたは第二吸着塔６Ｂに残留していた一次精製ガスの管路２ｃへの排出が低減できる。
【００２９】
上述のように本第一実施形態によるガス精製装置１とガス精製方法によれば、第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂによって交互に精製された一次精製ガスの一部をバイパス管路２ｂを介して原料ガスタンク４に還流するため、その後に第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂに交互に供給される一次精製ガスと原料ガスの混合物から更に二酸化炭素ガスの吸着を行うため、より高濃度の精製ガスを効率的に精製できる。
しかも、本実施形態では、第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂで精製した一次精製ガスの一部をバイパス管路２ｂを介して第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂの上流側の管路２に連結する構成によって、高濃度の一次精製ガスを製造できると共にガス精製装置１の構成が簡単で設置スペースが小さくて済むという利点もある。
【００３０】
なお、本発明は上述した実施形態によるガス精製装置１とガス精製方法に限定されることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜の変更や置換等が可能であり、これらはいずれも本発明に含まれる。以下に、本発明の他の実施例や変形例等について説明するが、上述の実施形態と同一または同様な部分、部材には同一の符号を用いて説明する。
【００３１】
次に本発明の第二実施形態によるガス精製装置１Ａとその精製方法について図２に基づいて説明する。
図２に示す第二実施形態によるガス精製装置１Ａは、第一実施形態と同様の構成を備えており、原料ガスが管路２を通して前処理設備３を介して原料ガスタンク４に貯留される。原料ガスタンク４からブロワ５またはバルブＳＶ１１を介して管路２が分岐され、その一方の管路２に第一吸着塔６Ａが、他方の管路２に第二吸着塔６Ｂがそれぞれ連結されている。第一吸着塔６Ａと第二吸着塔６Ｂで交互に精製された一次精製ガスはメタン濃度が例えば８０〜９０％程度になる。
そして、管路２の第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂの下流側には管路２ａを介して仕上塔７が連結されている。
【００３２】
仕上塔７の下流側には管路２ｄを介して精製された高濃度メタンガスを貯留するための精製ガスタンク９が設置されている。第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂ、そして仕上塔７にはそれぞれで吸着された二酸化炭素ガスを排ガスとして送り出す管路２ｃを介して貯留する排ガスタンク１０が設置されている。管路２ｃの途中には各二酸化炭素ガスを排ガスタンク１０に強制的に送り込む真空ポンプＰが設置されている。
なお、仕上塔７は原料ガスが第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂで精製された一次精製ガスが供給されるため既にメタンガスの濃度が高く、１つの塔だけがあればより高濃度に精製できる。
【００３３】
なお、仕上塔７は第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂと同一形状で同一の大きさであってもよいが、異なる形状と大きさでもよく、その内部には二酸化炭素を除去するためのゼオライト等の吸着剤のみを充填した。或いは、吸着剤として活性炭を用いてもよいし、他の吸着剤を含めることも可能である。
そして、仕上塔７で精製された二次精製ガスはメタン濃度が９５％程度以上になる。
なお、第一吸着塔６Ａと第二吸着塔６Ｂ、そして仕上塔７内の各種の吸着剤の充填量は原料ガスの成分割合に応じてそれぞれ最適な量を充填することができる。
【００３４】
また、仕上塔７の下流側の管路２ｄはバルブＳＶ１４の上流側で分岐されて一方はバルブＳＶ１４を介して精製ガスタンク９に連結され、他方はバイパス管路２ｂとしてバルブＳＶ１６を介して第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂの各バルブＳＶ６、ＳＶ８を有するバイパス管路２ｂと合流して、原料ガスタンク４の上流側の管路２に連結されている。
第一吸着塔６Ａと第二吸着塔６Ｂ、仕上塔７の処理工程において、二酸化炭素ガスを各吸着剤で吸着する第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂや仕上塔７は圧力を高く設定し、吸着剤で吸着された二酸化炭素ガスを排出（脱気、放出）する他方の吸着塔６Ｂ，６Ａ、仕上塔７は圧力を比較的低く設定することで、吸着と排出の処理工程を切り替えるものとする。
【００３５】
また、第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂの上流側と下流側の各管路２，２ａにはストップバルブとして、バルブＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３、ＳＶ４、ＳＶ５、ＳＶ６、ＳＶ７、ＳＶ８、ＳＶ９、ＳＶ１１がそれぞれ取り付けられている。バルブＳＶ１１はブロワ５と並列の管路２に設置されている。また、仕上塔７の上流側と下流側の各管路２ａ、２ｄには、バルブＳＶ１２、ＳＶ１３、ＳＶ１５、ＳＶ１４、ＳＶ１０がそれぞれ取り付けられている。バイパス管路２ｂにはバルブＳＶ１６が取り付けられている。
なお、第一実施形態と同様に、上述した従来技術のように第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂを連結する循環路を形成して内部を熱伝導性の高い不凍液等の熱媒体を流通させる伝熱手段を設けてもよい。
【００３６】
本第二実施形態によるガス精製装置１Ａは上述した構成を備えており、次にガス精製方法について説明する。
原料ガスタンク４からバイオガス等の原料ガスが管路２を通して第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂに供給され、例えばバルブＳＶ１、ＳＶ５が開、バルブＳＶ２、ＳＶ６が閉とされた場合には第一吸着塔６Ａに原料ガスが供給される。吸着工程の第一吸着塔６Ａ内では、供給される原料ガスのうち水分やシロキサン・硫化水素と、被吸着ガスである二酸化炭素ガスが各吸着剤によって吸着され、メタンガスは吸着されないため高濃度の一次精製ガスとして第一吸着塔６Ａの下流側の管路２ａ、バルブＳＶ１２を通して仕上塔７に充填される。第一吸着塔６Ａ内で二酸化炭素ガスが吸着剤に吸着される際に発熱して吸着熱を発生する。
【００３７】
一方、脱着工程の第二吸着塔６Ｂでは管路２のバルブＳＶ３、ＳＶ７，ＳＶ８が閉、バルブＳＶ４が開とされ、第二吸着塔６Ｂ内の吸着剤に吸着された被吸着ガスである二酸化炭素ガスが放出され、バルブＳＶ４を介して排ガスタンク１０に送られる。このとき、第二吸着塔６Ｂ内では二酸化炭素ガスが排出されることで冷却され温度が低下する。そして、第一吸着塔６Ａで発生した吸着熱を冷却された第二吸着塔６Ｂに伝達することで、原料ガス中の二酸化炭素ガスの吸着と放出の処理効率を向上させる。
【００３８】
第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂによって原料ガス中の二酸化炭素ガスの吸着と排出を行うことで、第一吸着塔６Ａ内の吸着剤の吸着量が飽和に近い状態または所定の大きさ以上になると、第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂは均圧工程になる。すると、バルブＳＶ１、ＳＶ５は閉弁し、バルブＳＶ６が開弁することで第一吸着塔６Ａの一次精製ガスはバイパス管路２ｂを介して原料ガスタンク４の上流側の管路２に戻される。
次の工程で、脱着工程の第一吸着塔６ＡではバルブＳＶ２が開弁し、ＳＶ６が閉弁することで吸着剤から二酸化炭素ガスの排出を行う。これと同時に、吸着工程の第二吸着塔６Ｂにはバイパス管路２ｂから還流した一次精製ガスを含む原料ガスを供給し、二酸化炭素ガスを吸着剤で吸着することでメタンガスの濃度を一次精製ガスよりも高濃度にして排出し、管路２ａを通して仕上塔７に充填する。
【００３９】
次の均圧工程では、第二吸着塔６Ｂから排出される一次精製ガスがバルブＳＶ８を介してバイパス管路２ｂを通って原料ガスタンク４の上流側の管路２に戻される。そして、第一吸着塔６Ａの吸着工程では第二吸着塔６Ｂで精製された一次精製ガスを含む原料ガスが第一吸着塔６Ａに供給されて、より高精度な一次精製ガスを製造する。
こうして、第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂで交互に精製された一次精製ガスはメタン濃度８０〜９０％より高濃度になって仕上塔７に供給され、二酸化炭素濃度は原料ガスと比較して大幅に低減される。
【００４０】
つぎに、吸着工程の仕上塔７では、前後に連通する管路２ａ、２ｄにおいてＳＶ１２、ＳＶ１４が開、ＳＶ１３、ＳＶ１５、ＳＶ１６が閉となっている。第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂから交互に仕上塔７に充填された高濃度な一次精製ガスは、仕上塔７内の吸着剤の全量が二酸化炭素ガス吸着剤で構成されているため更に残った二酸化炭素ガスが吸着され、二次精製ガスは一層高濃度になる。
しかも、仕上塔７での精製工程では、第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂで交互に二酸化炭素ガスの吸着と脱着を繰り返す工程と同時に、残った二酸化炭素ガスの吸着を連続して行うため、吸着可能時間が第一及び第二吸着塔６Ａ及び６Ｂに比べて大幅に増加する。そのため、仕上塔７で精製される二次精製ガスはメタン濃度９５％を超える高濃度になり、二酸化炭素濃度は原料ガスと比較して大幅に低減されて精製ガスタンク９に充填される。
【００４１】
そして、第一及び第二吸着塔６Ａ、６Ｂでの交互運転を所定回数（例えば５回〜２０回程度）行った後の休止工程になると仕上塔７は均圧工程になり、バルブＳＶ１４を閉弁してバルブＳＶ１６を開弁することで、より高濃度の二次精製ガスはバイパス管路２ｂを通って原料ガスタンク４の上流側の管路２に戻されるため、更に高濃度な二次精製ガスが原料ガスに加わる。これによって、第一および第二吸着塔６Ａ，６Ｂ、そして仕上塔７で精製されるガスは一層高濃度になる。
次に、仕上塔７が減圧・脱着工程に至ると、バルブＳＶ１２、ＳＶ１４、ＳＶ１６を閉にし、バルブＳＶ１３を開にして、仕上塔７内の吸着剤から吸着された二酸化炭素ガスを排出して、管路２ｃを通って給送して排ガスタンク１０に貯留する。
この工程では、第一及び第二吸着塔６Ａ及び６Ｂは休止工程とされ、第一及び第二吸着塔６Ａ及び６Ｂでの交互運転の時間に比べて、仕上塔７の脱着工程は短くなるため、運転効率の低下を少なくできる。
【００４２】
上述のように本第二実施形態によるガス精製装置１Ａとガス精製方法によれば、第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂと仕上塔７でそれぞれ精製された一次精製ガスと二次精製ガスの各一部を順次バイパス管路２ｂを経由して管路２で原料ガスと混合させて、再び第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂと仕上塔７で精製するため、第一及び第二吸着塔６Ａ、６Ｂと仕上塔７で二酸化炭素ガスを更に吸着して、第一実施形態よりも精製されるメタンガス濃度が一層高濃度になる。
また、第一吸着塔６Ａまたは第二吸着塔６Ｂの均圧工程において、第一吸着塔６Ａまたは第二吸着塔６Ｂに残留していたメタン濃度の高い一次精製ガスがバイパス管路２ｂを介して原料ガスタンク４の上流側の管路２へ供給されるので、一次精製ガスの回収率を向上させることができる。つまり、脱着工程で排出される第一吸着塔６Ａまたは第二吸着塔６Ｂに残留していた一次精製ガスの管路２ｃへの排出が低減される。
そして、仕上塔７の均圧工程おいて、仕上塔７に残留していたメタン濃度の高い二次精製ガスがバイパス管路２ｂを介して原料ガスタンク４の上流側の管路２に供給されるので、精製ガスの回収率を向上させることができる。つまり、脱着工程で排出される仕上塔７に残留していた二次精製ガスの管路２ｃへの排出が低減される。
【００４３】
また、第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂと仕上塔７にバイパス管路２ｂを追加した構成であるから、ガス精製装置１の構成が簡単で設置スペースが小さく、より一層高濃度な精製ガスを効率的に得られる。
しかも、本第二実施形態では、仕上塔７での吸着時間は第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂによる吸着と脱着の時間と同程度且つ同時であり、仕上塔７の二酸化炭素ガスの脱着時間を短くできるため、運転効率の低下を低減できて効率的な高濃度メタンガスの精製を行える。
【００４４】
以下、本発明の第二実施形態の運転事例を実施例として下記の表１により説明する。
本実施例によるガス精製装置１とその精製方法は、上述した第二実施形態と同様である。第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂの運転方法は、従来型のＶＰＳＡ装置と同様である。第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂにおける吸着工程及び脱着工程を各３分として、内圧を外気に開放する均圧１及び均圧２の工程と減圧または昇圧の工程を介して吸着と脱着工程を切り替えて交互に繰り返すようにした。
しかも、第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂと仕上塔７の各吸着工程ではそれぞれ一次精製ガスを仕上塔７へ、二次精製ガスを精製ガスタンク９に供給する。第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂの均圧工程１及び２、そして仕上塔７の均圧工程では、第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂと仕上塔７での各精製ガスをバイパス管路２ｂを介して上流側の管路２へ戻して原料ガスと混合して再び第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂと仕上塔７とで精製する。
【００４５】
【表１】
0006562543.tif 000002
【００４６】
上記表１において、各ステップ１〜１２における各バルブＶ１〜Ｖ１６、真空ポンプＰやブロワ５の開やＯＮを「１」、閉やＯＦＦを「０」で示す。そして、第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂや仕上塔７でのステップ１〜ステップ８の交互運転を所定回数（５回〜２０回程度）行って原料ガスの吸着と脱着を行って一次精製ガスを精製すると同時に、仕上塔７でも一次精製ガスの吸着を行って二次精製ガスを精製した。そして、均圧工程で、一次精製ガスをバイパス管路２ｂを介して第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂの上流側に戻し、原料ガスと混合して再び精製する。
その後、第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂの運転を休止して、仕上塔７において、大気に開放する均圧、減圧、二酸化炭素ガスの脱着、そして減圧を行う脱着工程をステップ９〜ステップ１２で行った。均圧工程で、仕上塔７の二次精製ガスをバイパス管路２ｂを介して第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂの上流側に戻し、原料ガスと混合して再び精製する。吸着塔Ａ及びＢの休止工程は、各吸着塔６Ａと６Ｂでの交互の脱着工程の時間に比べて仕上塔７の脱着工程は短くなることから、運転効率の低下は少なくなっている。
【００４７】
本実施例では、第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂに供給される原料ガスに一次精製ガスや二次精製ガスを混合させたものを第一吸着塔６Ａ及び第二吸着塔６Ｂと仕上塔７とで順次精製して被吸着ガスである二酸化炭素ガスをほとんど除去できるため、仕上塔７で精製される二次精製ガスはメタン濃度が９５％よりも高濃度になり、二酸化炭素濃度は一層大幅に低減できる。
また、第一吸着塔６Ａ、第二吸着塔６Ｂ及び仕上塔７に残留した一次精製ガス及び二次精製ガスが、バイパス管路２ｂにより原料ガスタンク４の上流側の管路２に供給されるので精製ガスの回収率が向上する。
【００４８】
一般に、ガス吸着時には吸着熱を発生し、脱着時には熱を吸収する。一方で、ガスの固体への吸着は、温度が低いほど吸着量が多くなる。従って、吸着時は温度が低いほど有利であるが、吸着により温度が上昇することになる。逆に、脱着時は温度が高いほど有利であるが、脱着により温度が低下することになる。また、水分を吸着すると二酸化炭素を吸着するゼオライト等の吸着剤はその性能が大幅に低下する。
【００４９】
これらの特徴により、第一及び第二吸着塔６Ａ及び６Ｂで精製する一次精製ガスでは、メタン濃度が８０〜９０％程度と比較的低く濃度の安定性も十分とは言えない場合があった。しかし、仕上塔７においては一次精製ガスの水分が低く（露点として、−２０〜−６０℃程度）、二酸化炭素濃度も５〜２０％と低くなっているから温度変化も少なくなり、精製能力が向上する。また、休止期間中も、第一及び第二吸着塔６Ａ及び６Ｂは自動弁によって遮断されるから水分が混入する危険はない。しかも、本実施例では、精製された一次精製ガスや二次精製ガスをバイパス管路２ｂを介して原料ガスと混合して再び精製するため、メタン濃度が９５％を超える高濃度の精製ガスを得られる。
【００５０】
なお、第一及び第二吸着塔６Ａ及び６Ｂは、長時間休止するとシリカゲル等の水分除去剤と二酸化炭素吸着剤が同一の塔内に充填されていることから、除湿能力の高い二酸化炭素吸着剤にシリカゲルからの水分が移行して、二酸化炭素吸着能力が低下するという問題があった。
【００５１】
なお、本発明の実施形態等において用いるメタンガス等の原料ガスの一例について説明すると、下水処理場では一般に消化ガスと言い、二酸化炭素が４０％程度、メタンガスが６０％程度で安定している。また、下水に混入しているシャンプーやリンス等に起因してシロキサンが含まれている。
一方、家畜糞尿などのメタン発酵施設では、バイオガスと言われており、この場合は原料によってガス濃度は異なる。
【００５２】
また、上述した各実施形態等によるガス精製装置１及びガス精製方法では、原料ガスを構成するバイオガスにおいて、第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂと仕上塔７の各吸着剤で吸着され且つ排出される二酸化炭素ガスは被吸着ガスを構成し、原料ガスから二酸化炭素ガスを可能な限り除去した高濃度のメタンガスは第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂの段階では一次精製ガス、仕上塔７の段階では二次精製ガスを構成する。
しかしながら、本発明において、原料ガスはバイオガスに限定されるものではなく複数種のガス成分を含む適宜の混合ガスを用いることができる。また、被吸着ガスも二酸化炭素ガスに限定されず、対応する吸着力の大きい吸着剤を選択することで各種の被吸着ガスを適用できる。また、精製ガスは吸着剤で吸着された被吸着ガス以外の残存成分のガスであり、必ずしもメタンガス等の単一成分のガスに限定されない。
【００５３】
また、前処理設備３において、粉塵や水分だけでなく、硫化水素やシロキサン等をできるだけ除去するようにしてもよい。この場合、第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂにおいて、水分を除去するためのシリカゲル等の第一吸着剤やシロキサンや硫化水素を除去するための活性炭等の第二吸着剤の少なくとも一方を省略したり減量したりしてもよい。
また、バイパス管路２ｂを原料ガスタンク４の上流側で管路２に連結したが、この構成に限定されることなく第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂの上流側であれば適宜の位置で管路２に連結できる。
【００５４】
また、上述した実施形態によるガス精製装置１では、第一及び第二吸着塔６Ａ，６Ｂのユニットにおける二酸化炭素ガスの吸着時間と排出時間が同等であるために、二酸化炭素ガスの吸着と排出を行う第一吸着塔６Ａと第二吸着塔６Ｂを１塔ずつ２塔設けた２塔方式を採用した。しかしながら、二酸化炭素ガスの吸着時間と排出時間の比が異なる場合には、二酸化炭素ガスの吸着と排出を１塔：２塔で行う３塔方式や１塔：３塔で行う４塔方式等を採用してもよい。
なお、本発明によるガス精製装置は、上述したＶＰＳＡ装置だけでなく、空気中の酸素を濃縮するＰＳＡ装置等にも適用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１、１Ａ  ガス精製装置
２，２ａ、２ｃ、２ｄ  管路
２ｂ  バイパス管路
３  前処理設備
６Ａ  第一吸着塔
６Ｂ  第二吸着塔
７  仕上塔
ＳＶ１〜ＳＶ１６  バルブ
【図１】
0006562543.tif 000003
【図２】
0006562543.tif 000004