(57)【要約】【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】制御開始に伴い、まず変動幅判定テーブルに基づいて冷却装置の運転開始温度Ｔ１が決定される。運転中は、常に温度センサＳ１により充填塔内温度Ｔｓが計測される。Ｔｓ≧Ｔ１であるときは、次に冷却装置６が既に運転中か否かを判定する。運転停止状態のときは、冷却運転を開始する。冷却運転中は、温度センサＳ１の計測値Ｔｓが下限温度Ｔ０以下に至ったか否かを判定する。Ｔｓ≦Ｔ０のときは成分ガスが液化する可能性があるため冷却装置６の運転を停止する（Ｓ１０７）。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成分組成が経時的に変化する混合ガスを供給する供給ラインと、
供給ライン中に介在し、温度上昇に伴って組成変動抑制性能が低下する特性を有する吸着材を充填した充填塔と、
充填塔内温度が第一の閾値温度以上のときは、充填塔内を冷却する手段と、
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】
前記第一の閾値温度を、所望する充填塔下流側における組成変動幅に応じて可変とする手段を、さらに備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の混合ガス供給装置。
【請求項３】
充填塔内温度が第二の閾値温度以下のときは、冷却を停止する手段を、さらに備えて成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の混合ガス供給装置。
【請求項４】
前記第二の閾値温度が、混合ガス成分のうち、最も液化温度が高い成分ガスの供給圧における液化温度以上であることを特徴とする請求項３に記載の燃料ガス供給装置。
【請求項５】
前記吸着材が、石炭原料活性炭であることを特徴とする請求項１乃至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６又は７に記載の混合ガス供給装置を用いて、
燃料ガスの発熱量変動調整を行うように構成したことを特徴とする燃料ガスの発熱量調整装置。
【請求項９】
成分組成が経時的に変化する混合ガスを供給する供給ラインと、
供給ライン中に介在し、温度上昇に伴って組成変動抑制性能が低下する特性を有する吸着材を充填した充填塔と、を備えた混合ガス供給装置において、
充填塔内温度が、第一の閾値温度以上となったときは充填塔内を冷却し、第二の閾値温度以下となったときは冷却を停止する、
ことを特徴とする組成変動調整方法。
【請求項１０】
発熱量が経時的に変化する燃料ガスを供給する供給ラインと、
供給ライン中に介在し、温度上昇に伴って発熱量変動抑制性能が低下する特性を有する吸着材を充填した充填塔と、を備えた発熱量調整装置において、
充填塔内温度が、第一の閾値温度以上となったときは充填塔内を冷却し、第二の閾値温度以下となったときは冷却を停止する、
ことを特徴とする発熱量調整方法。
【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等に係り、特に、都市ガス等、燃料ガスの発熱量変動抑制に好適な混合ガス供給装置及びその組成変動調整方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大都市圏から離れた地方における都市ガス需要の増加に伴い、ＬＮＧ（液化天然ガス）サテライト基地が多く建設されている。ＬＮＧサテライト基地は、ＬＮＧ貯槽と気化器を備えた設備であり、沿岸のＬＮＧ受入基地からローリーでＬＮＧを輸送し、ＬＮＧ貯槽に一旦貯蔵した後に、ＬＮＧを気化して工業団地や住宅地などに都市ガスとして供給するためのものである。
【０００３】
このようなＬＮＧサテライト供給方式においては、気化器稼動開始時や負荷変動、気温変化等に伴う供給ガスの発熱量変動が起こる場合があり、このため供給ガスの発熱量安定化のための種々の技術が開示されている。気化器自体の改良としては、ＬＮＧ気化器の停止時にパージラインからＬＰＧをパージする技術が提案されている（例えば特許文献１）。
また、吸着材を用いた混合ガス供給装置として、気化器下流側に活性炭を充填した吸着材充填塔を設けて、発熱量を平準化する技術が提案されている（例えば特許文献２）。
【０００４】
図１０は、このような吸着材充填塔を用いた従来の混合ガス供給装置１００を示す。従来の混合ガス供給装置１００は、ＬＮＧ貯槽１０１、外気を加熱源とする気化器１０２、吸着材充填塔１０３を主要構成とする。吸着材充填塔１０３内には細孔直径２．０〜３．０ｎｍの活性炭が充填されている。このような構成により、タンクローリ１０５、ライン１０６を介して供給されるＬＮＧをＬＮＧ貯槽１０１に一旦貯蔵し、気化器１０２で気化して天然ガスとし、さらに吸着材充填塔１０３を通過させる。これにより、気化器出側において高沸点（重質炭化水素）成分の組成比が高くガス発熱量が高いときには、高沸点成分を吸着材で吸着し、また低沸点成分であるメタンの組成比が高くガス発熱量が低いときには、吸着した高沸点成分を脱着させて発熱量を平準化するものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１０９４７６号公報
【特許文献２】特開２００５-２７３７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、吸着材の吸着量は高温下で低下し、低温下で増加することが知られている。しかしながら、吸着材を用いた発熱量調整方法に関しては、冬期に充填塔内を設定温度（３５℃）に加熱して安定的に天然ガスを供給する技術の開示（特許文献２）があるものの、実用上想定される環境温度範囲に亘る発熱量調整方法の開示はない。組成変動抑制技術についても同様である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは鋭意研究の結果、実用上想定される広い温度範囲で高い組成変動抑制効果を奏する混合ガス供給装置を完成した。本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、
請求項１の発明は、成分組成が経時的に変化する混合ガスを供給する供給ラインと、供給ライン中に介在し、温度上昇に伴って組成変動抑制性能が低下する特性を有する吸着材を充填した充填塔と、充填塔内温度が第一の閾値温度以上のときは、充填塔内を冷却する手段と、を備えて成ることを特徴とする混合ガス供給装置である。
【０００８】
以下、本発明の作用について説明する。上述のように吸着材の吸着量は高温下で低下し、低温下で増加するが、その吸着特性は吸着材ごとに大きく異なる。従って、適切な吸着材を選択して充填塔内温度を制御することにより、充填塔下流側における組成変動を所望の範囲内に収めることが可能となる。図９は、各種吸着材の組成変動抑制性能の温度依存性を概念的に示す図である。ここに「組成変動抑制性能」とは、組成変動する混合ガスの充填塔入口と出口における変動幅の比を示す指数であり、この値が小さいほど抑制性能が高いことになる。同図より、吸着材Ａは、通常環境温度範囲では吸着材Ｃと比較して高い組成変動抑制性能を有している。しかし、高温になるに従い変動抑制性能が低下し、ある温度以上ではＣより劣ってしまう。また、吸着材Ｂと比較すると、通常環境温度範囲内でも温度Ｔ１以上ではＢより劣ってしまう。この場合、充填塔内温度がＴ１以上に至ったときに充填塔を冷却することにより、環境温度に拘らず高い組成変動抑制性能を維持できることになる。
【０００９】
なお、本発明において「混合ガス」とは、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。
上記発明において、第一の閾値温度を所望する充填塔下流側における組成変動幅に応じて可変とする手段を、さらに備えたものとすることができる（請求項２）。
上記発明において、さらに充填塔内温度が第二の閾値温度以下のときは冷却を停止する手段を備えたものとすることができる（請求項３）。
第二の閾値温度として、混合ガス成分のうち、最も液化温度が高い成分ガスの供給圧における液化温度以上の温度を選択することができる（請求項４）。
ある成分が液化温度以下になると充填塔内に液が滞留する等の悪影響をもたらすため、本発明により下限温度を設けることが有効となる。
【００１０】
本発明に用いる吸着材として、石炭原料活性炭を選択することができる（請求項５）。後述のように、石炭原料活性炭は常温以下で高い吸着性能を有するが、４０℃以上では吸着性能が低下する特性を有する。本発明によれば吸着性能低下を防止することができ、吸着材として好適に用いることができる。
【００１１】
上記発明において、「混合ガス」として、燃料ガスを用いることができ（請求項６）、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（請求項７）。
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、ＣＨ４を主成分とする１３Ａ都市ガスについては、５２．７≦ＷＩ≦５７．８、３５≦ＭＣＰ≦４７と定められている。ここにウオッベ指数（ＷＩ）は、ガスの発熱量Ｈ（ＭＪ／ｍ３）をガスの空気に対する比重ｓの平方根で割った数値、
ＷＩ＝Ｈ／√ｓ
で表され、ガス機器の完全燃焼性の指標となるものである。
また、燃焼速度指数（ＭＣＰ）は、次式で表される。
【００１２】
【数１】
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上式において、Ｓi、ｆiはそれぞれ都市ガス中の各可燃性ガスの燃焼速度及び係数、Ａｉは都市ガス中の各可燃性ガスの含有率（体積百分率）、Ｋは減衰係数である。各係数の具体的数値についてはガス事業法に示されているため、ここでは省略する。
従って、本発明による吸着材充填塔通過後の混合ガスのＷＩ及びＭＣＰを、上記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。
【００１３】
請求項９の発明は、成分組成が経時的に変化する混合ガスを供給する供給ラインと、供給ライン中に介在し、温度上昇に伴って組成変動抑制性能が低下する特性を有する吸着材を充填した充填塔と、を備えた混合ガス供給装置において、混合ガス温度が第一の閾値温度を超えたときは充填塔内を冷却し、かつ、第二の閾値温度以下となったときは冷却を停止することを特徴とする組成変動調整方法である。
【００１４】
請求項１０の発明は、発熱量が経時的に変化する燃料ガスを供給する供給ラインと、供給ライン中に介在し、温度上昇に伴って発熱量変動抑制性能が低下する特性を有する吸着材を充填した充填塔と、を備えた燃料ガスの発熱量調整装置において、充填塔内温度が、第一の閾値温度以上となったときは充填塔内を冷却し、第二の閾値温度以下となったときは冷却を停止する、ことを特徴とする発熱量調整方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、環境温度の影響を受けることなく、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、供給源から発熱量変動を伴うガスが供給される場合であっても、実用上想定される広い環境温度範囲で発熱量変動を一定範囲内に抑えて需要家に供給することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図１乃至８を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
本実施形態は、「混合ガス」としてＬＮＧを原料とする燃料ガスを用いて発熱量調整を行う形態に係る。ＬＮＧは軽質炭化水素であるメタン（ＣＨ４）を主成分とし、プロパン（Ｃ２Ｈ６）、その他重質炭化水素（ＣｍＨｎ）を含む。なお、以下の実施形態において、「発熱量」とは総発熱量を意味する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る燃料ガス供給装置１の全体構成を示す図である。燃料ガス供給装置１は、ＬＮＧ貯槽４と、気化器３と、吸着材充填塔２と、充填塔内の吸着材冷却のための冷却装置６と、を主要構成として備えている。これら装置間は、供給ラインＬ１乃至Ｌ３により接続されている。供給ラインＬ３の末端側には負荷装置（例えばガスエンジン）５が設置されている。ＬＮＧ貯槽４には、タンクローリ等により搬送されたＬＮＧが貯蔵されている。吸着材充填塔２内には、石炭原料活性炭の吸着材２ａが充填されている。
冷却装置６は、気化器３に付設され、ＬＮＧ冷熱を受熱する熱交換器６ａと、充填塔２内に吸着材冷却用熱交換コイル６ｂと、循環ポンプ６ｃと、これら装置間を接続する冷媒配管６ｅと、を備えている。冷媒配管６ｅ内部には不凍液が充填されており、不凍液が装置間を循環するように構成されている。冷媒配管６ｅ経路中には流量調節弁６ｄが配設されている。充填塔２内には吸着材温度計測のための温度センサＳ１が配設されている。
冷却装置６はさらに制御部７を備えている。制御部７内には、表１に示す変動幅判定テーブル、及び蒸気表に基づき作成された重質炭化水素（ＣｍＨｎ）の液化温度判定テーブル（図示せず）が格納されている。これらテーブルに基づいて、後述するように冷却装置６の運転発停を判定するように構成されている。なお、この変動幅判定テーブルは、後述する石炭原料活性炭における２℃〜８０℃の条件下での変動幅の測定結果（図６）から決定している。
なお、表１において発熱量変動幅ΔＨは、ΔＨ＝（Ｈｍax−Ｈmin）／２、すなわち発熱量最大値Ｈｍaxと最小値Ｈminの差の１/２で示される指数である。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
以上の構成により、燃料ガス供給装置１はＬＮＧ貯槽４内のＬＮＧを気化器３で気化して天然ガスとし、充填塔２を通過させて発熱量変動を調整した後に、供給ラインＬ３を介して負荷装置５に供給する。制御部７は、供給中は常時、温度センサＳ１の計測値を監視しており、計測値に基づいて循環ポンプ６ｃの発停及び流量調節弁６ｄの開閉制御を行い、充填塔内温度を任意の設定温度に制御することにより、充填塔２出口における天然ガスの発熱量変動を所定の範囲内に調整する。
【００２０】
次に図２を参照して、燃料ガス供給装置１における発熱量制御フローについて説明する。制御開始に伴い、まず変動幅判定テーブルに基づいて冷却装置の運転開始温度Ｔ１が決定される（Ｓ１０１）。ここでは変動幅を０．９（ＭＪ／ｍ３）以下に収めるため。Ｔ１として４０℃に設定されるものとする。運転中は、常に温度センサＳ１により充填塔内温度Ｔｓが計測され（Ｓ１０２）、所定のインターバルでＴｓが閾値温度Ｔ１以上か否かを判定する（Ｓ１０３）。Ｔｓ＜Ｔ１のときは、後述のステップＳ１０６にスキップする。Ｔｓ≧Ｔ１であるときは、次に冷却装置６が既に運転中か否かを判定する（Ｓ１０４）。運転停止状態のときは、冷却運転を開始する（Ｓ１０５）。冷却装置６が既に稼働中のときは、ステップＳ１０６にスキップする。
【００２１】
冷却運転中は、温度センサＳ１の計測値Ｔｓが下限温度Ｔ０以下に至ったか否かを判定する（Ｓ１０６）。なお、下限温度Ｔ０として燃料ガス成分のうち最も高温で液化する、ｎ−ブタンの常圧液化温度−０．５℃に設定している。Ｔｓ≦Ｔ０のときは成分ガスが液化する可能性があるため冷却装置の運転を停止し（Ｓ１０７）、Ｓ１０２に戻って上記フローを繰り返す。
【００２２】
なお、本実施形態では冷却運転下限温度として、ｎ−ブタンの常圧液化温度を用いる形態を示したが、より高温に設定することもできる。これにより冷却運転時間を短縮することができ、冷却に要する消費エネルギーを低減することができる。
また、本実施形態では冷却用冷媒として不凍液を用いる形態を示したが、他の冷媒、例えばフロン、１価アルコール、グリコール、ＬＮＧ、ＬＰＧ、ＣＯ２、アンモニア等を用いる形態とすることもできる。Ｔ０が０℃を超える場合は水を使用することもできる。
また、本実施形態では気化器の冷熱を利用する形態としたが、冷熱源として他の冷熱源を用いることもできる。
【実施例】
【００２３】
本発明による効果を確認するため、本発明に係る吸着材充填容器を種々の温度に設定し、発熱量が周期的に変動するガスを容器に流入させて、発熱量変動の温度依存性を測定した。以下、その内容について説明する
（供試吸着材）
供試吸着材として石炭原料活性炭を用いた。また、比較のためヤシガラ原料活性炭を用いた試験も行った。以下、簡単のため石炭原料活性炭を活性炭Ａ、ヤシガラ原料活性炭を活性炭Ｂと略称することがある。試験に用いた石炭原料活性炭，ヤシガラ原料活性炭の特性を表２に、細孔径分布（窒素吸着ＤＦＴ法による）を図３に示す。また、図４に両活性炭のメタン、プロパンに対する圧力−吸脱着量特性を示す。同図は、真空状態（０ＫＰａ）から圧力を上げていく過程における活性炭に吸着されるガス量、及び、所定の圧力に達した後、圧力を下げていく過程で活性炭からガスが脱着していくが、その状態における吸着ガス量を示している。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
（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１００％）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、最小４４．８ＭＪ/ｍ３、最大５０．５ＭＪ/ｍ３であり、発熱量変動幅ΔＨ＝２．８５ＭＪ/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で示される指数である。
【００２６】
（試験装置）
充填容器（内容積３０ｃｃ）に吸着材を充填し、環境温度を２℃、２５℃、４０℃、６０℃、８０℃の各条件に保持した状態で、上記組成の供試ガスを空塔速度２０００ｈ-１にて充填容器に流入させ、容器から流出するガスの発熱量を熱量計（Advantica社製、製品名：GasPT）で測定した。
【００２７】
（測定結果）
図５に、各温度における石炭原料活性炭の発熱量変動測定結果を示す。同図には、参考のため充填容器を通さない条件の測定結果も併せて示してある。図６は、発熱量変動幅ΔＨの温度依存性を示す図である。同図より、石炭原料活性炭については、温度上昇に伴いΔＨの値が上昇していくことが分かる。
【００２８】
（比較例）
図７、８は、それぞれ比較例であるヤシガラ原料活性炭の発熱量変動の時間的推移、及びΔＨの温度依存性を示す図である。図６と図８の比較から明らかなように、室温以下の条件では石炭原料活性炭の方が発熱量抑制効果が高い。但し、４０℃以上の高温条件になると逆転している。このことから、石炭原料活性炭を用いて環境温度が４０℃以上にならないように充填容器を冷却することにより、ヤシガラ原料活性炭を用いた場合と比較して、常に発熱量抑制効果を高く維持できることになる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、燃料ガスの発熱量変動抑制に限らず、化学工業における原料ガス、副生ガス、排気ガス、バイオマスによる生成ガス等、組成変動する複数のガス成分からなる混合ガスの組成変動を抑制する用途に広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料ガス供給装置１の構成を示す図である。
【図２】燃料ガス供給装置１の発熱量変動抑制制御フローを示す図である。
【図３】供試吸着材である石炭原料活性炭、及び比較用吸着材であるヤシガラ原料活性炭の細孔径分布を示す図である。
【図４】石炭原料活性炭及びヤシガラ原料活性炭のメタン、プロパンに対する吸着特性を示す図である。
【図５】石炭原料活性炭の発熱量変動の時間的経緯を示す図である。
【図６】石炭原料活性炭の発熱量変動の温度依存性を示す図である。
【図７】ヤシガラ原料活性炭の発熱量変動の時間的経緯を示す図である。
【図８】ヤシガラ原料活性炭の発熱量変動の温度依存性を示す図である。
【図９】本発明の作用を概念的に説明する図である。
【図１０】従来の燃料ガス供給装置１００の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１・・・・燃料ガス供給装置
２・・・・吸着材充填塔
２ａ・・・吸着材
３・・・・気化器
４・・・・ＬＮＧ貯槽
５・・・・負荷装置
６・・・・冷却装置
７・・・・制御部
Ｌ１〜Ｌ３・・・・供給ライン
Ｓ１・・・温度センサ
【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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【図９】
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【図１０】
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