(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成が時間経過とともに変動する混合ガスを、吸着材を充填した吸着塔を通過させて組成変動を抑制する組成変動抑制装置であって、
該吸着塔のアスペクト比（塔高／内直径）を、０．６７以上、かつ、１．０以下に設定して成り、
前記混合ガスが可燃性ガスであり、かつ、前記組成が発熱量である、
ことを特徴とする混合ガスの組成変動抑制装置。
【請求項２】
前記可燃性ガスが炭化水素ガスを主成分とする燃料ガスであることを特徴とする請求項１に記載の混合ガスの組成変動抑制装置。
【請求項３】
前記燃料ガスが、メタンを主成分とする天然ガス又は都市ガスであることを特徴とする請求項２に記載の混合ガスの組成変動抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は組成の安定化が必要な混合ガスの組成変動抑制装置に係り、特に、ガスエンジン等、高度の発熱量安定化が必要な燃焼機器への供給装置として好適な混合ガスの組成変動抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大都市圏から離れた地方における都市ガス需要の増加に伴い、ＬＮＧ（液化天然ガス）サテライト基地が多く建設されている。ＬＮＧサテライト基地は、ＬＮＧ貯槽と気化器を備えた設備であり、沿岸のＬＮＧ受入基地からローリーでＬＮＧを輸送し、ＬＮＧ貯槽に一旦貯蔵した後に、ＬＮＧを気化して工業団地や住宅地などに都市ガスとして供給するためのものである。
このようなＬＮＧサテライト供給方式においては、気化器稼動開始時や負荷変動、気温変化等に伴う供給ガスの発熱量変動が問題となる場合があり、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）。
【０００３】
また、吸着材を用いた発熱量調整装置として、気化器下流側に活性炭を充填した吸着塔を設けて、発熱量変動を抑制する技術が提案されている（例えば特許文献２）。図５は、この方式による従来のサテライト基地１００を示すものである。サテライト基地１００は、ＬＮＧ貯槽１０１、外気を加熱源とする気化器１０２、吸着塔１０３を主要構成とする。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、ローリー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変動を抑制する。
【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】
【０００４】
従来の吸着材を用いた発熱量調整方法においては、吸着材の吸着量に限界があるため、吸着塔の単位体積当たりガス処理量が制限される。従って、下流側に高度の発熱量安定化が必要とされる燃焼装置（例えばガスエンジン）が存在するような場合には、発熱量変動抑制のために吸着材充填量を増やすことが必要となり、吸着塔容積の大型化、建設作業や設置作業の煩雑化が避けられないという問題がある。このように、ＬＮＧサテライト基地を始めとする燃料ガス供給装置において、吸着塔の小型化、燃料ガスの発熱量変動抑制効果の改善が求められている。
さらに、燃料ガスに限らず、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の混合ガスに関しても、安定的な供給確保の要請から組成変動抑制の必要性が高まっている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明者らは鋭意研究の結果、吸着塔のアスペクト比（塔高Ｈ／内直径Ｄ）（以下、Ｈ／Ｄと略記することがある）に着目し、アスペクト比を適切に設定した吸着塔を用いることにより、組成変動を所望の範囲内に抑制できることを見出した。これらの知見に基づいて本発明は、より小さな吸着塔により組成変動を所望範囲内に抑えることを可能とする組成変動抑制技術を提供するものである。
【０００６】
本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係る混合ガスの組成変動抑制装置は、
（１）組成が時間経過とともに変動する混合ガスを、吸着塔を通過させて組成変動を抑制する組成変動抑制装置であって、該吸着塔のアスペクト比（塔高／内直径）を、０．５以上に設定して成る、ことを特徴とする。
本発明において、「ガス組成が時間経過ともに変動」とは、必ずしも周期的な変動のみを意味せず、非周期的変動をも含み、また連続的な変動のみならず単発的な変動も含む。
吸着塔に充填する「吸着材」としては、活性炭、ゼオライト、シリカゲル、メソポーラスシリカ、活性アルミナ、有機金属錯体などを用いることができる。また、活性炭としては、石炭原料活性炭、ヤシガラ活性炭、木炭、石油原料活性炭、竹炭、フェノール樹脂活性炭、レーヨン由来活性炭、アクロニトリル由来活性炭、草炭、おがくず炭、泥炭などがある。
（２）上記発明において、アスペクト比を、０．６７以上に設定して成る、ことを特徴とする。
（３）上記各発明において、混合ガスが可燃性ガスであり、かつ、組成に替えて発熱量である、ことを特徴とする。
（４）可燃性ガスが炭化水素ガスを主成分とする燃料ガスであることを特徴とする。
発熱量変動がある燃料ガスを用いる場合、発熱量変動に敏感な燃焼装置が正常に燃焼できる程度に変動幅を抑制することが必要である。本発明では、このような燃料装置を代表するものとしてガスエンジンに着目した。ガスエンジンの発熱量変動限界について、「バイオマス発電の最新技術」（吉川他監修，シーエムシー出版、2006.7.31第１刷発行）によれば、発熱量変化率が３０秒間で１％を下回ることとしている。
【０００７】
図４は、メタンを主成分とする燃料ガスについて、吸着塔のアスペクト比を変化させたときの３０秒間の発熱量変動幅を示す図である。試験条件等についての詳細は後述するが、アスペクト比０．５以上であれば発熱量変化率が１％を下回り、ガスエンジンの良好燃焼が維持されることが分かる。さらに、同図において、アスペクト比０．６７未満では、僅かなＨ／Ｄの変化に対して発熱量変動幅が大きく変化する。従って、安定的な燃焼を維持するためにはアスペクト比０．６７以上とすることが、より望ましい。
なお、アスペクト比上限に関して、上述のようにＨ／Ｄが０．６７以上では殆ど変化がなく、発熱量変動幅の観点からは上限がないといえる。しかしながら、吸着塔製作における経済性や耐震強度等の観点からは、一定の限界を設ける必要がある。「改訂四版  化学工学便覧」（化学工学協会編、丸善、昭和53年10月25日発行）によれば、吸着塔の標準的操作条件に関して、層高と直径比について最大５:１とする記述がある（８８２ページ：表１１．２１）。これらより、上限値としてはＨ／Ｄ≦５程度が妥当と思われる。
【０００８】
本発明において、「燃料ガス」は、化学工業における原料ガス、副生ガス、バイオマスによる生成ガス等を含む概念である。
【０００９】
（５）上記発明において、燃料ガスが、メタンを主成分とする天然ガス又は都市ガスであることを特徴とする。
【００１０】
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１３種類のガスグループに分類され、都市ガス事業者は特定したガス種の都市ガスを供給域内の需要家に対して供給することが、ガス事業法により義務付けられている。例えば、メタンを主成分とする１３Ａ都市ガスについては、５２．７≦ＷＩ≦５７．８、３５≦ＭＣＰ≦４７と定められている。ここにウオッベ指数（ＷＩ）は、ガスの発熱量Ｑ（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＝Ｑ／√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、都市ガス中の各可燃性ガスの燃焼速度の関数として表される（詳細はガス事業法に示されているため、説明を省略する）。
燃料ガスとしてＷＩ及びＭＣＰが上記１３Ａ都市ガスの範囲内のガスを用い、かつ、本発明に係る発熱量変動抑制装置を通過させることにより、供給域内で都市ガス１３Ａ用機器を良好に燃焼させることができる。  
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、供給元から発熱量変動を伴う燃料ガスが供給された場合であっても、発熱量変動に敏感な燃焼装置が正常燃焼可能な程度に変動幅を抑制して、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】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図１、２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、燃料ガスとして起動時に組成が変動するＬＮＧ気化ガスを用い、アスペクト比Ｈ／Ｄ＝１．０に設定された吸着塔を通すことにより、末端側の負荷装置を正常に燃焼させるものである。
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、経路中に設けられた吸着塔２と、供給配管Ｌ３の末端側に負荷装置であるガスエンジン５と、を備えている。ＬＮＧ貯槽４には、不図示のローリーにより運ばれるＬＮＧが貯蔵されている。これら装置間は供給配管Ｌ１乃至Ｌ３により接続されている。気化器３からは組成が変動（これに伴い発熱量も時間経過とともに変動）するＬＮＧ気化ガスが供給される。吸着塔２には吸着材（例えば石炭原料活性炭、ヤシガラ原料活性炭等）が充填されている。
燃料ガス供給装置１は以上のように構成されており、これによりＬＮＧ貯槽４内のＬＮＧを気化器３で気化して天然ガスとし、吸着塔２に導いて発熱量変動を負荷装置５の許容限度以下に抑制させた後に、供給配管Ｌ３を経由して負荷装置５に供給する。
【００１３】
図２は、気化器起動に伴う気化器３出口（同図（ａ））及び吸着塔２出口（同図（ｂ））における発熱量変動の時間的推移を比較した図である。通常、起動前には気化器３内部には比較的高温（約−３０℃）のガスが残留している。起動バルブＶ１が開かれると、ＬＮＧ貯槽４内のＬＮＧが気化器３の下部マニホールド３ａに流入し、残留している比較的高温の残留ガスと同温度の配管表面に接触して気化する。この場合、ＬＮＧに含まれる炭化水素類のうち、沸点温度の低いメタン成分（沸点−１６１℃）が優先的に蒸発するため、起動時には気化器から出るガスはメタン成分の多い低発熱量ガス（最小発熱量Ｑmin）となり、時間経過とともに標準発熱量（Ｑ０）となる。このとき最小発熱量近傍のガスは、ガスエンジンの良好燃焼域から外れる。しかしながら、ハンチングガスは吸着塔２に導かれ、ここで低発熱量成分が吸着材に吸着されて高発熱量成分の比率が高まるため、吸着塔２出口では同図（ｂ）のように発熱量変動幅が抑制され（最小発熱量Ｑ０’）、ガスエンジンの良好燃焼域に納まる。
なお、本実施形態では発熱量が起動時や、供給量変化、ＬＮＧの払出し圧力変化等に伴い変動するが、通常状態では殆ど変化しないガスを用いる形態としたが、これに限らず常に発熱量が変動するガスを用いる形態とすることもできる。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明の効果確認のために行った試験の内容について説明する。
（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（C3H8:C4H10=1:1）を添加するサイクルを繰り返すことにより、周期的に組成（発熱量）が変動するガスを調製した。試験ガスの発熱量変動は、最小４４．３ＭＪ/ｍ３、最大４６．８ＭＪ/ｍ３であった。
【００１５】
（試験方法）
吸着塔として、アスペクト比を６種類（０．３、０．５、０．６７、１．０、３．６、３６）に設定した試験容器（内容積３０ｃｃ）に、吸着材（石炭原料活性炭）１２ｃｃを充填したものを用いた。各試験容器に温度２５℃、空塔速度２０００ｈ−１の流入条件で試験ガスを流して、容器出口におけるガス発熱量を熱量計（Advantica社製、製品名：GasPT）で測定した。
【００１６】
（測定結果）
図３に、各アスペクト比のときの発熱量変動の時間的推移を示す。なお、同図では発熱量変動の様子が分かりやすいように、安定後の平均熱量からの偏差を縦軸にプロットした。また、表１は各アスペクト比の最大偏差を比較したものである。平均熱量からの偏差が小さいほど、より発熱量変動抑制効果が高いことを意味する。
【００１７】
【表１】
0005207522.tif 000002
【００１８】
（適性アスペクト比判定）
図５は、試験ガス流入開始後１０分〜５０分における、３０秒間の発熱量変化率の最大値を各アスペクト比についてプロットした図である。同図より、アスペクト比０．６７以上で発熱量変化率はほぼ一定になることが分かる。またアスペクト比が０．５以上であれば、ガスエンジンが許容する変化率１％／３０ｓｅｃを下回ることが分かる。アスペクト比０．３では、もとの発熱量変動よりは小さいものの許容変化率を上回っており、ガスエンジン用としては不適切である。以上の結果より、アスペクト比の下限は０．５以上、より好ましくは０．６７以上であると判断される。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明は、燃料ガスの発熱量抑制に限らず、化学工業における原料ガス、副生ガス、排気ガス、バイオマスによる生成ガス等、発熱量変動する複数のガス成分からなる燃料ガスの発熱量変動抑制に広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】気化器起動に伴う気化器３及び吸着塔２出口における発熱量変動の時間的推移を比較した図である。
【図３】実施例における各アスペクト比のときの発熱量変動の時間的推移を示す図である。
【図４】試験ガス流入開始後１０分〜５０分における３０秒間の発熱量変化率の最大値を、各アスペクト比についてプロットした図である。
【図５】従来のサテライト基地１００の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１・・・・燃料ガス供給装置
２・・・・吸着塔
３・・・・気化器
４・・・・ＬＮＧ貯槽
５・・・・負荷装置
Ｌ１〜Ｌ３・・・・供給ライン
【図１】
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【図２】
0005207522.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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