(57)【要約】【課題】本発明の目的は、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。【解決手段】少なくとも一対の吸着ユニットＵ１，Ｕ２を備え、一方の吸着ユニットＵ１のガス流出口２を他方の吸着ユニットＵ２のガス流入口１に連通接続可能に構成され、一方の吸着ユニットＵ１の下流側に他の吸着ユニットＵ２を連通接続し、外部から一方の吸着ユニットＵ１のガス流入口１を介して原料ガスを流入させ、他方の吸着ユニットＵ２のガス流出口２から外部に残余のガスを流出させて、両吸着ユニットＵ１，Ｕ２内の吸着材ａに可燃性ガスを吸着させる連通吸着工程を実行した後、一方の吸着ユニットＵ１を独立させた状態で、当該吸着ユニットＵ１の吸着材ａから可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す。【選択図】図１
2009220003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれガス流入口及びガス流出口を備えるとともに、内部に可燃性ガスを選択的に吸着する吸着材が充填された、少なくとも一対の吸着ユニットを備え、
一方の吸着ユニットのガス流出口を他方の吸着ユニットのガス流入口に連通接続可能に構成され、
一方の吸着ユニットの下流側に他方の吸着ユニットを連通接続し、外部から前記一方の吸着ユニットのガス流入口を介して原料ガスを流入させ、前記他方の吸着ユニットのガス流出口から外部に残余のガスを流出させて、両吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる連通吸着工程を実行した後、
前記一方の吸着ユニットを独立させた状態で、前記一方の吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着工程を実行する可燃性ガスの濃縮方法。
【請求項２】
前記連通吸着工程を実行する前に、前記一方の吸着ユニットに関して、外部から原料ガスを流入させ、当該一方の吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させるとともに、当該吸着ユニットの流出口から残余のガスを外部に流出させる独立吸着工程を実行する請求項１記載の可燃性ガスの濃縮方法。
【請求項３】
前記吸着ユニットとして、第１吸着ユニット、第２吸着ユニット及び第３吸着ユニットを少なくとも備え、
前記第１吸着ユニットのガス流出口を前記第２吸着ユニットのガス流入口に、前記第２吸着ユニットのガス流出口を前記第３吸着ユニットのガス流入口に、前記第３吸着ユニットのガス流出口を前記第１吸着ユニットのガス流入口に、個別に連通接続可能に構成され、
特定の吸着ユニットに関して、外部から原料ガスを流入させ、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させるとともに、残余のガスを外部に流出させる独立吸着工程と、
当該吸着ユニットの下流側に更なる吸着ユニットを連通接続し、外部から特定の吸着ユニットのガス流入口を介して原料ガスを流入させ、前記更なる吸着ユニットのガス流出口から残余のガスを外部に流出させて、両吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる連通吸着工程と、
前記特定の吸着ユニットを独立させた状態で、前記特定の吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着工程とを含み、
前記第１吸着ユニット、第２吸着ユニット、第３吸着ユニットとの間で、
前記独立吸着工程、連通吸着工程、脱着工程を順に繰り返す請求項１又は２記載の可燃性ガスの濃縮方法。
【請求項４】
前記吸着ユニットとして、第１吸着ユニット、第２吸着ユニット及び第３吸着ユニットを少なくとも備え、
前記第１吸着ユニットのガス流出口を前記第２吸着ユニットのガス流入口に、前記第２吸着ユニットのガス流出口を前記第３吸着ユニットのガス流入口に、前記第３吸着ユニットのガス流出口を前記第１吸着ユニットのガス流入口に、個別に連通接続可能に構成されるとともに、
前記第１吸着ユニットのガス流出口を前記第３吸着ユニットのガス流入口に、前記第２吸着ユニットのガス流出口を前記第１吸着ユニットのガス流入口に、前記第３吸着ユニットのガス流出口を前記第２吸着ユニットのガス流入口に、個別に連通接続可能に構成され、
外部から前記第１吸着ユニットのガス流入口を介して原料ガスを流入させ、残余のガスを前記第１吸着ユニットのガス流出口から外部に流出させて、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる独立吸着工程と、
前記第１吸着ユニットのガス流出口が前記第２吸着ユニットのガス流入口に連通接続されるとともに、前記第３吸着ユニットが他の吸着ユニットから独立する第１状態で、外部から第１吸着ユニットのガス流入口を介して原料ガスを流入させ、残余のガスを前記第２吸着ユニットのガス流出口から外部に流出させて、両吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる連通吸着動作と、前記第３吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作とを実行する第１工程と、
前記第１吸着ユニットのガス流出口が前記第３吸着ユニットのガス流入口に連通接続されるとともに、前記第２吸着ユニットが他の吸着ユニットから独立する第２状態で、第１吸着ユニットから第３吸着ユニットへガスを流出させて、両吸着ユニット内の圧力を均衡させる均圧動作と、前記第２吸着ユニットに可燃性ガスを流入させ、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる独立吸着動作とを実行する第２工程と、
各吸着ユニットがそれぞれ独立した状態に保たれ、
前記第１吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作と、
前記第２吸着ユニットに原料ガスを流入させ、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる独立吸着動作と、
前記第３吸着ユニットに昇圧ガスを流入させ、当該吸着ユニット内を昇圧する昇圧動作とを実行する第３工程とを含む
請求項１又は２記載の可燃性ガスの濃縮方法。
【請求項５】
前記第１吸着ユニットが独立に可燃性ガスを吸着する前記独立吸着工程において、前記第３吸着ユニットから前記第２吸着ユニットへガスを流出させて、両吸着ユニット内の圧力を均衡させる均圧動作が行われた後、
前記第３吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作と、前記第２吸着ユニットに昇圧ガスを流入させ、当該吸着ユニット内を昇圧する昇圧動作とを実行する請求項４記載の可燃性ガスの濃縮方法。
【請求項６】
前記第１工程から前記第２工程への切換え操作に関し、前記第１吸着ユニットから前記第２吸着ユニットへ移流するガスにおける可燃性ガスの濃度が、爆発限界濃度より高い濃度である所定の設定濃度より高くなる状態で、前記切換え操作を実行する請求項４又は５記載の可燃性ガスの濃縮方法。
【請求項７】
前記第１工程から前記第２工程への切換え操作を、当該第１工程の経過時間に従って実行する請求項６記載の可燃性ガスの濃縮方法。
【請求項８】
それぞれガス流入口及びガス流出口を備えるとともに、内部に可燃性ガスを選択的に吸着する吸着材が充填された、第１吸着ユニット、第２吸着ユニット及び第３吸着ユニットを少なくとも備え、
前記第１吸着ユニットのガス流出口を前記第２吸着ユニットのガス流入口に、前記第２吸着ユニットのガス流出口を前記第３吸着ユニットのガス流入口に、さらに、前記第３吸着ユニットのガス流出口を前記第１吸着ユニットのガス流入口に、個別に連通接続可能に構成されるとともに、
前記第１吸着ユニットのガス流出口を前記第３吸着ユニットのガス流入口に、前記第２吸着ユニットのガス流出口を前記第１吸着ユニットのガス流入口に、さらに、前記第３吸着ユニットのガス流出口を前記第２吸着ユニットのガス流入口に、個別に連通接続可能に構成され、
外部から前記第１吸着ユニットのガス流入口を介して原料ガスを流入させ、残余のガスを前記第１吸着ユニットのガス流出口から外部に流出させて、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる独立吸着工程と、
前記第１吸着ユニットのガス流出口が前記第２吸着ユニットのガス流入口に連通接続されるとともに、前記第３吸着ユニットが他の吸着ユニットから独立する第１状態で、外部から第１吸着ユニットのガス流入口を介して原料ガスを流入させ、残余のガスを前記第２吸着ユニットのガス流出口から外部に流出させて、両吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる連通吸着動作と、前記第３吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作とを実行する第１工程と、
前記第１吸着ユニットのガス流出口が前記第３吸着ユニットのガス流入口に連通接続されるとともに、前記第２吸着ユニットが他の吸着ユニットから独立する第２状態で、第１吸着ユニットから第３吸着ユニットへガスを流出させて、両吸着ユニット内の圧力を均衡させる均圧動作と、前記第２吸着ユニットに可燃性ガスを流入させ、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる独立吸着動作とを実行する第２工程と、
各吸着ユニットがそれぞれ独立した状態に保たれ、
前記第１吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作と、
前記第２吸着ユニットに原料ガスを流入させ、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる独立吸着動作と、
前記第３吸着ユニットに昇圧ガスを流入させ、当該吸着ユニット内を昇圧する昇圧動作とを実行する第３工程とを実行する制御手段を備えた可燃性ガスの濃縮システム。
【請求項９】
前記制御手段が、
前記第１吸着ユニットが独立に可燃性ガスを吸着する前記独立吸着工程において、前記第３吸着ユニットから前記第２吸着ユニットへガスを流出させて、両吸着ユニット内の圧力を均衡させる均圧動作を行わせた後、
前記第３吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作と、前記第２吸着ユニットに昇圧ガスを流入させ、当該吸着ユニット内を昇圧する昇圧動作とを実行する請求項８記載の可燃性ガスの濃縮システム。
【請求項１０】
前記制御手段が、
前記第１工程から前記第２工程への切換え操作に関し、前記第１吸着ユニットから前記第２吸着ユニットへ移流するガスにおける可燃性ガスの濃度が、爆発限界濃度より高い濃度である所定の設定濃度より高くなる状態で、前記切換え操作を実行する請求項８又は９記載の可燃性ガスの濃縮システム。
【請求項１１】
前記制御手段が、
前記第１工程から前記第２工程への切換え操作を、当該第１工程の経過時間に従って実行する請求項１０記載の可燃性ガスの濃縮システム。
【請求項１２】
前記第１吸着ユニット、第２吸着ユニット及び第３吸着ユニットが、記載順に環状を成すように配置されている請求項８〜１１の何れか一項記載の可燃性ガスの濃縮システム。
【請求項１３】
前記第１吸着ユニット、第２吸着ユニット及び第３吸着ユニットそれぞれにおいて、各吸着ユニットのガス流入口及びガス流出口が同一方向に開口するとともに、開口面が一定位置に揃えられている請求項８〜１２の何れか一項記載の可燃性ガスの濃縮システム。
【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ユニット（可燃性ガスを選択的に吸着する吸着材が収納された吸着塔）に供給して、可燃性ガスを選択的に吸着させ、濃縮する可燃性ガスの濃縮方法、及びこの方法を実行する可燃性ガスの濃縮システムに関する。
【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。
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８−１９８５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
さて、可燃性ガスを選択的に吸着する吸着材が収納された吸着ユニットを適宜使用して濃縮を行う場合、通常、吸着工程では、吸着ユニットに設けられるガス流入口から原料ガスを流入させ、ガス流入口とは反対側に設けられているガス流出口から吸着後の残余のガスを流出させる。後述する、本願における吸着ユニット単独で吸着を行う独立吸着工程を実行するのであるが、この吸着工程における吸着管理は、先に説明した爆発限界との関係から、外部に放出されるベントにおける可燃性ガスの濃度に注目して管理することとなる。例えば、吸着ユニット内に収納される吸着材の量との関係から、ベントとして放出される可燃性ガスの濃度が爆発限界以下に収まる吸着時間を予め求めておき、この吸着時間を上限として吸着を行わせることで、良好な操業を維持することとなる。
【０００９】
さて、この点をユニット内の吸着材の吸着状態との関係からみると、ガス流入口側の吸着材に関しては、爆発限界を越えて吸着材が吸着しうる限界に近い可燃性ガスが吸着されている。一方、ガス流出口側の吸着材に関しては、爆発限界を上限としてベントに含まれる可燃性ガスの濃度が管理されるため、実質的に吸着材に吸着できる可燃性ガスの濃度は、爆発限界未満或はその近傍に限られる。
したがって、このような運転手法を実行する場合は、単一の吸着ユニットで見た場合に、当該吸着ユニットに収納されている吸着材の全部を充分に活用しているとはいい難い。
【００１０】
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、各吸着ユニットに収納される吸着材の全部を充分に活用することができ、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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための可燃性ガスの濃縮方法は、それぞれガス流入口及びガス流出口を備えるとともに、内部に可燃性ガスを選択的に吸着する吸着材が充填された、少なくとも一対の吸着ユニットを備え、一方の吸着ユニットのガス流出口を他方の吸着ユニットのガス流入口に連通接続可能に構成されたシステムにおいて、
一方の吸着ユニットの下流側に他方の吸着ユニットを連通接続し、外部から前記一方の吸着ユニットのガス流入口を介して原料ガスを流入させ、前記他方の吸着ユニットのガス流出口から外部に残余のガスを流出させて、両吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる連通吸着工程を実行した後、
前記一方の吸着ユニットを独立させた状態で、前記一方の吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着工程を実行することにある。
【００１２】
この可燃性ガスの濃縮方法では、使用するシステムには、少なくとも一対の吸着ユニットが備えられる。これら一対の吸着ユニットは、それぞれガス流入口及びガス流出口が備えられる。従って、このガス流入口から原料ガスを流入させて、残余のガスをガス流出口から流出させる、本願にいう独立吸着を実行可能である。一方、一対の吸着ユニット間では、一方の吸着ユニットのガス流出口を他方の吸着ユニットのガス流入口に連通接続可能に構成されているため、一方の吸着ユニットの下流側に他方の吸着ユニットを連通接続し、外部から一方の吸着ユニットのガス流入口を介して原料ガスを流入させ、他方の吸着ユニットのガス流出口から外部に残余のガスを流出させて、両吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる連通吸着も実行可能となっている。
そして、本願に係る可燃性ガスの濃縮方法では、少なくとも上記の連通吸着を実行した後、脱着を行う。ここで脱着は、前記連通吸着において、原料ガスが流入される吸着ユニットを対象とするものとする。
先にも説明したように、吸着にあっては、残余のガスをガス流出口から流出させることとなるが、この流出ガスにおける可燃性ガスの濃度は、爆発限界未満に抑えることとなる。この場合、連通吸着を実行している上流側の吸着ユニットの吸着材は爆発限界を越えて、吸着材が吸着限界に近い状態まで可燃性ガスを吸着している。一方、下流側の吸着ユニットでは、ガス流出口の近傍にある吸着材では、充分な吸着が行われていない。
そこで、本願のように、連通吸着を行った後、上流側の吸着ユニットについて、脱着を行うことで、吸着ユニット内の全吸着材について、脱着を終えた非吸着状態から、完全に吸着限界近くまで吸着した状態の間で、吸着材を働かせることとなり、外部に放出されるガスに関して、可燃性ガスの濃度を爆発範囲の濃度となることを回避しつつ、各吸着ユニットに収納される吸着材の全部を充分に活用することができ、高濃度な濃縮を実現することができる。
【００１３】
さて、前記連通吸着工程を実行する前に、前記一方の吸着ユニットに関して、外部から原料ガスを流入させ、当該一方の吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させるとともに、その吸着ユニットのガス流出口から残余のガスを外部に流出させる独立吸着工程を実行することが好ましい。
この方法にあっては、独立吸着工程を行った後に連通吸着工程を実行することとなるが、一方の吸着ユニットに関して、独立吸着工程において、そのガス流出口から流出される可燃性ガスの濃度を所定の範囲に制限した状態で、ある程度の可燃性ガスの吸着を行わせ、次に連通吸着工程において、なお吸着余力のあるガス流出口近くの吸着材に可燃性ガスを吸着させることができ、各吸着ユニットの有効利用を図ることができる。さらに、本願に係るような吸着システムでは、吸着ユニットの動作として、吸着以外に均圧、昇圧等の他の動作を行う時間があるが、他の吸着ユニットの所定の動作時を利用して、予備的な独立吸着工程を実行することで、時間的にも空間的にも効率的な運用を図ることができる。
【００１４】
さて、これまで説明してきた可燃性ガスの濃縮方法において、
前記吸着ユニットとして、第１吸着ユニット、第２吸着ユニット及び第３吸着ユニットを少なくとも備え、
前記第１吸着ユニットのガス流出口を前記第２吸着ユニットのガス流入口に、前記第２吸着ユニットのガス流出口を前記第３吸着ユニットのガス流入口に、前記第３吸着ユニットのガス流出口を前記第１吸着ユニットのガス流入口に、個別に連通接続可能に構成され、
特定の吸着ユニットに関して、外部から原料ガスを流入させ、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させるとともに、残余のガスを外部に流出させる独立吸着工程と、
当該吸着ユニットの下流側に更なる吸着ユニットを連通接続し、外部から特定の吸着ユニットのガス流入口を介して原料ガスを流入させ、前記更なる吸着ユニットのガス流出口から残余のガスを外部に流出させて、両吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる連通吸着工程と、
前記特定の吸着ユニットを独立させた状態で、前記特定の吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着工程とを含み、
前記第１吸着ユニット、第２吸着ユニット、第３吸着ユニットとの間で、
前記独立吸着工程、連通吸着工程、脱着工程を繰り返すこととしておくことが好ましい。
この構成では、３つの吸着ユニットを一単位として、順次、独立吸着工程、連通吸着工程、脱着工程を実行させることで、各吸着ユニットで別々の動作を行わせながら、先に説明してきた作用効果を得ることができる。
【００１５】
この構成において、さらに具体的には、
前記吸着ユニットとして、第１吸着ユニット、第２吸着ユニット及び第３吸着ユニットを少なくとも備え、
前記第１吸着ユニットのガス流出口を前記第２吸着ユニットのガス流入口に、前記第２吸着ユニットのガス流出口を前記第３吸着ユニットのガス流入口に、前記第３吸着ユニットのガス流出口を前記第１吸着ユニットのガス流入口に、個別に連通接続可能に構成されるとともに、
前記第１吸着ユニットのガス流出口を前記第３吸着ユニットのガス流入口に、前記第２吸着ユニットのガス流出口を前記第１吸着ユニットのガス流入口に、前記第３吸着ユニットのガス流出口を前記第２吸着ユニットのガス流入口に、個別に連通接続可能に構成され、
外部から前記第１吸着ユニットのガス流入口を介して原料ガスを流入させ、残余のガスを前記第１吸着ユニットのガス流出口から外部に流出させて、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる独立吸着工程と、
前記第１吸着ユニットのガス流出口が前記第２吸着ユニットのガス流入口に連通接続されるとともに、前記第３吸着ユニットが他の吸着ユニットから独立する第１状態で、外部から第１吸着ユニットのガス流入口を介して原料ガスを流入させ、残余のガスを前記第２吸着ユニットのガス流出口から外部に流出させて、両吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる連通吸着動作と、前記第３吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作とを実行する第１工程と、
前記第１吸着ユニットのガス流出口が前記第３吸着ユニットのガス流入口に連通接続されるとともに、前記第２吸着ユニットが他の吸着ユニットから独立する第２状態で、第１吸着ユニットから第３吸着ユニットへガスを流出させて、両吸着ユニット内の圧力を均衡させる均圧動作と、前記第２吸着ユニットに可燃性ガスを流入させ、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる独立吸着動作とを実行する第２工程と、
各吸着ユニットがそれぞれ独立した状態に保たれ、
前記第１吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作と、
前記第２吸着ユニットに原料ガスを流入させ、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる独立吸着動作と、
前記第３吸着ユニットに昇圧ガスを流入させ、当該吸着ユニット内を昇圧する昇圧動作とを実行する第３工程とを含むこととすることができる。
【００１６】
このように工程順をくむことで、３つの吸着ユニットを一単位として、連通吸着動作と脱着動作の組み合わせ（第１工程）、均圧動作と独立吸着動作の組み合わせ（第２工程）、脱着動作、独立吸着動作及び昇圧動作の組み合せ（第３工程）を順次実行して、最小限の吸着ユニットを備えたシステムで、効率的に可燃性ガスの濃縮を行える。
【００１７】
上記の可燃性ガスの濃縮方法は、下記のシステムにおいて、制御手段がはたらくことで、実行できる。
即ち、可燃性ガスの濃縮システムは、それぞれガス流入口及びガス流出口を備えるとともに、内部に可燃性ガスを選択的に吸着する吸着材が充填された、第１吸着ユニット、第２吸着ユニット及び第３吸着ユニットを少なくとも備え、
前記第１吸着ユニットのガス流出口を前記第２吸着ユニットのガス流入口に、前記第２吸着ユニットのガス流出口を前記第３吸着ユニットのガス流入口に、さらに、前記第３吸着ユニットのガス流出口を前記第１吸着ユニットのガス流入口に、個別に連通接続可能に構成されるとともに、
前記第１吸着ユニットのガス流出口を前記第３吸着ユニットのガス流入口に、前記第２吸着ユニットのガス流出口を前記第１吸着ユニットのガス流入口に、さらに、前記第３吸着ユニットのガス流出口を前記第２吸着ユニットのガス流入口に、個別に連通接続可能に構成され、
外部から前記第１吸着ユニットのガス流入口を介して原料ガスを流入させ、残余のガスを前記第１吸着ユニットのガス流出口から外部に流出させて、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる独立吸着工程と、
前記第１吸着ユニットのガス流出口が前記第２吸着ユニットのガス流入口に連通接続されるとともに、前記第３吸着ユニットが他の吸着ユニットから独立する第１状態で、外部から第１吸着ユニットのガス流入口を介して原料ガスを流入させ、残余のガスを前記第２吸着ユニットのガス流出口から外部に流出させて、両吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる連通吸着動作と、前記第３吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作とを実行する第１工程と、
前記第１吸着ユニットのガス流出口が前記第３吸着ユニットのガス流入口に連通接続されるとともに、前記第２吸着ユニットが他の吸着ユニットから独立する第２状態で、第１吸着ユニットから第３吸着ユニットへガスを流出させて、両吸着ユニット内の圧力を均衡させる均圧動作と、前記第２吸着ユニットに可燃性ガスを流入させ、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる独立吸着動作とを実行する第２工程と、
各吸着ユニットがそれぞれ独立した状態に保たれ、
前記第１吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作と、
前記第２吸着ユニットに原料ガスを流入させ、当該吸着ユニット内の吸着材に可燃性ガスを吸着させる独立吸着動作と、
前記第３吸着ユニットに昇圧ガスを流入させ、当該吸着ユニット内を昇圧する昇圧動作とを実行する第３工程とを実行する制御手段を備えた構成とすればよい。
【００１８】
さて、上記のように工程順を組む場合に、前記第１吸着ユニットが独立に可燃性ガスを吸着する前記独立吸着工程において、前記第３吸着ユニットから前記第２吸着ユニットへガスを流出させて、両吸着ユニット内の圧力を均衡させる均圧動作が行われた後、
前記第３吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作と、前記第２吸着ユニットに昇圧ガスを流入させ、当該吸着ユニット内を昇圧する昇圧動作とを実行することが好ましい。
このようにすることで、第３吸着ユニット、第２吸着ユニットに対して、所定の動作を順次行わせることができる。
【００１９】
この方法を実施する可燃性ガスの濃縮システムは、前記制御手段を、
前記第１吸着ユニットが独立に可燃性ガスを吸着する前記独立吸着工程において、前記第３吸着ユニットから前記第２吸着ユニットへガスを流出させて、両吸着ユニット内の圧力を均衡させる均圧動作を行わせた後、
前記第３吸着ユニットの吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作と、前記第２吸着ユニットに昇圧ガスを流入させ、当該吸着ユニット内を昇圧する昇圧動作とを実行するように構成としておけばよい。
【００２０】
さて、これまで説明してきた第１工程、第２工程を実行する可燃性ガスの濃縮方法において、前記第１工程から前記第２工程への切換え操作に関し、前記第１吸着ユニットから前記第２吸着ユニットへ移流するガスにおける可燃性ガスの濃度が、爆発限界濃度より高い濃度である所定の設定濃度より高くなる状態で、前記切換え操作を実行することが好ましい。
第１吸着ユニットから前記第２吸着ユニットへ移流するガスにおける可燃性ガスの濃度が、爆発限界濃度より高い濃度である所定の設定濃度より高くなる状態では、第１吸着ユニットのガス流出口側に備えられる吸着材は、飽和に近い状態で可燃性ガスを吸着しており、吸着材の全部を有効に使うという目的を達成できるためである。
【００２１】
この方法に関しても、制御手段を、前記第１工程から前記第２工程への切換え操作に関し、前記第１吸着ユニットから前記第２吸着ユニットへ移流するガスにおける可燃性ガスの濃度が、爆発限界濃度より高い濃度である所定の設定濃度より高くなる状態で、前記切換え操作を実行するように構成としておけばよい。
【００２２】
このような条件のもと第１工程から第２工程への切換え操作を、当該第１工程の経過時間に従って実行することが好ましい。
吸着ユニット内の吸着材の量は予め判明しており、工程順の動作を決定した場合には、第１工程に入る前の吸着材の吸着量、第１工程の経過時間における吸着量の増加等は予め経験的に知ることができる。そこで、上記切換え条件を満たす経過時間に従って、工程の切換えを管理することで、安全にシステムを運転することができる。
【００２３】
この方法を実施するに際しても、制御手段を、前記第１工程から前記第２工程への切換え操作を、当該第１工程の経過時間に従って実行するように構成しておけばよい。
【００２４】
さて、前記第１吸着ユニット、第２吸着ユニット及び第３吸着ユニットを備えて可燃性ガスの濃縮システムを構築するに、第１吸着ユニット、第２吸着ユニット及び第３吸着ユニットを、記載順に環状を成すように配置して構成することが好ましい。このようにすることで、制限された空間に収納されるシステムを使用して、可燃性ガスの濃縮を行える。従って、システムが占有できる空間が制限されやすい炭鉱等にあっても、炭鉱から発生する可燃性ガスを両方に捕集、濃縮できる。
【００２５】
さらに、前記第１吸着ユニット、第２吸着ユニット及び第３吸着ユニットそれぞれにおいて、各吸着ユニットのガス流入口及びガス流出口が同一方向に開口するとともに、開口面が一定位置に揃えられていることが好ましい。
このようにすることで、ユニット間に設けることが必要となる配管をユニットの一方側に集中でできるとともに、その配管長を必要最小限とすることができ、制限された空間に収納されるシステムを使用して、可燃性ガスの濃縮を行える。結果、上記と同様に、システムが占有できる空間が制限されやすい炭鉱等にあっても、炭鉱から発生する可燃性ガスを両方に捕集、濃縮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明に係る可燃性ガス濃縮システムＳ（以下、本システムＳ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。
本願にあっては、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態を紹介する。
全ての実施形態は、内部にメタン吸着材ａが夫々充填された第１吸着ユニットＵ１、第２吸着ユニットＵ２及び第３吸着ユニットＵ３を備えて構成されている。これらの吸着ユニットＵは、夫々、本願独特の配管ｄで、ユニット外部Ｏ、製品タンクＴおよび他の吸着ユニットＵと連通接続できるように、配管接続されている。ここで、第１、第２及び第３ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３の順番付けは、システムを周回方向で見た順番付けであり、図１に示されている例では、時計方向周りに第１、第２、第３と順番付けを行っている。
【００２７】
図１に示す第１実施形態は、本願に係る可燃性ガス濃縮装置の最も簡易な形態を示す例であり、各吸着ユニットＵは円筒状に構成されており、３つの吸着ユニットＵが三角を成すように環状に配置されている。
【００２８】
図４に示す第２実施形態は、各吸着ユニットＵはＵ字状に構成されており、各ユニットＵの下方側がＵ字の開放側となる配置構成で、３つの吸着ユニットＵが三角を成すように環状に配置されている。このように配置することで、各ユニットＵの配管ｄを、下側に集中して配設することができる。
【００２９】
図６に示す第３実施形態は、各吸着ユニットＵは縦置き配置の二重管として構成されており、内管ｕｉ内の空間と内管ｕｉと外管ｕｏとの間の空間とがユニット上部で連通接続するように構成されている。この実施形態でも、３つの吸着ユニットＵが三角を成すように環状に配置されている。このように配置することで、各ユニットＵの配管ｄを、下側に集中して配設することができる。
【００３０】
〔第１実施形態〕
先ず、各実施形態に共通の構成に関して、第１実施形態を例にとって、図１に基づいて説明する。
１  吸着ユニット
吸着ユニットＵは、所定形状を有する吸着塔として構成されており、内部に吸着材ａを充填して構成されている。
吸着材ａ
吸着材ａ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ａ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。
【００３１】
このように、吸着材ａ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。
【００３２】
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。
【００３３】
さらに、上記メタン吸着材が、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ａ１では、１０Åよりも平均細孔直径が大きいメタン吸着材ａ２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、本システムＳ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として好ましい。
【００３４】
一方、上記メタン吸着材が、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。
【００３５】
吸着ユニット
次に、各吸着ユニットＵを構成する吸着塔の構成について説明する。
先に説明したように、本願に係る可燃性ガス濃縮システムＳでは、吸着ユニットＵの順番付けが行われているが、この順番付けの方向に従って、吸着ユニットＵには、ガス流入口１、ガス流出口２が設定されている。図１に示す例で、右上がりに配置される第１吸着ユニットＵ１に関しては、左下端近傍部位がガス流入口１、右上端近傍部位がガス流出口２とされている。右下がりに配置される第２吸着ユニットＵ２に関しては、左上端近傍部位がガス流入口１、右下端近傍部位がガス流出口２とされる。下に配置される第３吸着ユニットＵ３に関しては、右端近傍部位がガス流入口１、左端近傍部位がガス流出口２とされる。
ここで、ガス流入口１、ガス流出口２の区分けは、吸着ユニットＵに、本願にいう独立吸着状態で原料ガスが流入され、残余のガス（ベント）が吸着ユニットＵから流出される状態で、原料ガスが流入する吸着ユニットＵの入口側をガス流入口１と、ベントが流出する吸着ユニットＵの出口側をガス流出口２と便宜上呼んでいる。即ち、吸着ユニットＵの順番付けとの対応との関係で述べると、順番付けの昇番に従って、その低い側から順次、第１吸着ユニットＵ１のガス流入口１、ガス流出口２、第２吸着ユニットＵ２のガス流入口１、ガス流出口２、第３吸着ユニットＵ３のガス流入口１、ガス流出口２と呼ぶこととしている。
【００３６】
本願における原料ガスは、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、原料ガスを炭鉱ガスとし、原料ガス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。
【００３７】
さらに、先に説明した独立吸着状態とは、これまでも説明してきたように、本願にいう連通吸着状態に対する概念であり、単一の吸着ユニットＵにおいて、そのガス流入口１から原料ガスが流入され、そのユニットＵのガス流出口２からベントが流出される運転状態をいう。
【００３８】
以下に、各吸着ユニットＵにおけるユニット内部と外部、或いは他の吸着ユニットとの連通関係について説明する。
【００３９】
原料ガスの流入・ベントの流出
吸着ユニットＵには、そのガス流入口側に、原料ガスを吸着ユニット内に導入可能な原料ガス流入管ｄ１が接続されている。この原料ガス流入管ｄ１の上流側は、例えば、炭鉱から炭鉱ガスを捕集するための捕集用ブロアーの吐出口(図外)が接続されており、原料ガスの流入（送り込み、吸い込みを含む）が可能な構造とされている。一方、そのガス流出口側に、吸着を終えた残余のガスであるベントが流出可能なベント流出管ｄ２が接続されている。このベント流出管ｄ２の下流側は、外気に開放されており、ベントを外気に放出可能となっている。図示するように、このベント流出管ｄ２には、メタン濃度サンプリング用のサンプリング部３が設けられている。単一の吸着ユニットＵに関して、その原料ガス流入管ｄ１から原料ガスが流入し、ユニットＵ内で吸着を行った後、残余のガスがベントとしてベント流出管ｄ２から外部に放出される状態を、本願にあっては、「独立吸着」と呼んでいる。この独立吸着状態では、独立吸着操作を実行している吸着ユニットＵは、他の吸着ユニットＵとの関係において連通接続等されることはない。
この独立吸着状態にあっては、ベント流出管ｄ２から外部に放出される場合のメタン濃度は、その爆発限界以下に制御される。すなわち、メタン濃度は、例えば５％未満に維持されるように、独立吸着を開始してから、その独立吸着状態を終了するまでの時間が管理される。
【００４０】
脱着（真空引き）
図１からも判明するように、前記原料ガス流入管ｄ１の中間部位には、３方弁ｖ１が備えられており、吸着ユニットＵのガス流入口１が、この３方弁ｖ１を介して製品タンクＴに接続される構成が採用されている。そして、製品タンクＴの入口部位には、真空ポンプＰが備えられ、吸着ユニットＵのガス流入口１に製品タンクＴが連通接続される状態（この時、原料ガスの流入は行わない）で、吸着材ａに吸着されたメタンを真空引き可能な構成とされている。この真空引きに際しては、前記ベント流出管ｄ２に設けられている開閉弁ｖ２は、閉状態に維持される。このような真空引きを実行することで、吸着材ａに吸着されたメタンを製品タンクＴ内に回収できる。この脱着状態では、脱着操作を受けている吸着ユニットＵは、他の吸着ユニットＵとの関係において連通接続等されることはない。
【００４１】
昇圧
図１からも判明するように、各吸着ユニットＵに関して、原料ガス流入管ｄ１の中間部位には３方弁ｖ１が備えられており、ベント流出管ｄ２には開閉弁ｖ２が備えられている。そして、先に説明した脱着操作である真空引きを行った場合、後述する均圧操作を行ったとしても、吸着ユニットＵ内の圧力が外気に対して負圧となる状態が発生する。従って、このように吸着ユニットＵ内が負圧となっている状態において、前記３方弁ｖ１を全閉とし、開閉弁ｖ２を開とする場合、外気が吸着ユニットＵ内に取り込まれることとなる。即ち、３方弁ｖ１を全閉とし、開閉弁ｖ２を開とすることで、外気（空気）を昇圧ガスとして吸着ユニットＵ内に取り込んで、吸着ユニットＵ内の圧力を外気圧とすることができる。この昇圧状態では、昇圧操作を受けている吸着ユニットＵは、他の吸着ユニットＵとの関係において連通接続等されることはない。
【００４２】
連通吸着
図１からも判明するように、各吸着ユニットＵは、ユニットの順番付けに従って、ユニットＵ間に開閉弁ｖ３を備えた連通管ｄ３を設けて互いに連通接続できるように構成されている。具体的には、図１において、時計回りに、第１吸着ユニットＵ１のガス流出口２は第２吸着ユニットＵ２のガス流入口１に、第２吸着ユニットＵ２のガス流出口２は第３吸着ユニットＵ３のガス流入口１に、さらに、第３吸着ユニットＵ３のガス流出口２は前記第１吸着ユニットＵ１のガス流入口１に、個別に連通接続可能に構成されている。
従って、例えば、第１吸着ユニットＵ１のガス流出口２と第２吸着ユニットＵ２のガス流入口１との間に介在される連通管ｄ３の開閉弁ｖ３のみを開とし、他の連通管ｄ３の開閉弁ｖ３を閉状態に保った状態で、第１吸着ユニットＵ１の原料ガス流入管ｄ１から原料ガスを流入させ（製品タンクＴ側は閉とする）、第２吸着ユニットＵ２のベント流出管ｄ２から、第１吸着ユニットＵ１、第２吸着ユニットＵ２内に配設される吸着材ａにより吸着操作を受けた後の、残余のガスを放出することができる。この状態を本願にあっては、「連通吸着」と呼んでいる。この連通吸着状態にあっても、下流側の吸着ユニットＵのベント流出管ｄ２から外部に放出される場合のメタン濃度は、その爆発限界以下に制御される。すなわち、メタン濃度は、例えば５％未満に維持されるように、連通吸着を開始してから、その連通吸着状態を終了するまでの時間を管理する。
この連通吸着状態では、上流側の吸着ユニットＵの吸着材ａに爆発限界以上（例えば５％以上、原料ガス中のメタン濃度（例えば４０％））のメタンが吸着された状態を実現できる。この連通吸着状態において、連通吸着に関与する一対の吸着ユニットＵは、他の吸着ユニットＵと連通接続されることはない。
【００４３】
均圧
図１からも判明するように、各吸着ユニットＵは、ユニットＵの順番付けで、一つ飛ばしに、ユニットＵ間に開閉弁ｖ４を備えた均圧管ｄ４を設けて互いに均圧用に連通接続できるように構成されている。具体的には、第１吸着ユニットＵ１のガス流出口２を第３吸着ユニットＵ３のガス流入口１に、第２吸着ユニットＵ２のガス流出口２を第１吸着ユニットＵ１のガス流入口１に、第３吸着ユニットＵ３のガス流出口２を第２吸着ユニットＵ２のガス流入口１に、個別に連通接続可能に構成されている。
従って、例えば、第１吸着ユニットＵ１のガス流出口２と第３吸着ユニットＵ３のガス流入口１との間に介在される均圧管ｄ４の開閉弁ｖ４のみを開とし、他の均圧管ｄ４のそれぞれの開閉弁ｖ４を閉状態に保った状態で、さらに、均圧管ｄ４以外を介する第１吸着ユニットＵ１及び第３吸着ユニットＵ３へのガスの流出、流入を止めることで、均圧管ｄ４で連通接続された吸着ユニットＵ１，Ｕ３間の圧力を均衡させることができる。この状態を本願にあっては、「均圧」と呼んでおり、図３（ａ）に示す場合は、第１吸着ユニットＵ１、第２吸着ユニットＵ２間で、連通吸着を行い、第３ユニットＵ３が脱着（真空引き）されるため、図３（ｂ）に示すように、第１吸着ユニットＵ１と第３吸着ユニットＵ３との間の均圧管ｄ４の開閉弁ｖ４を開、他の均圧管ｄ４のそれｖ４を閉として、第１吸着ユニットＵ１と第３吸着ユニットＵ３との間で、均圧を行うことができる。この均圧も、均圧開始から終了までの時間で管理する。
【００４４】
以上が、本願に係る可燃性ガスの濃縮システムＳに採用される各吸着ユニットＵの構成の説明であるが、本願システムＳにあっては、この構成の吸着ユニットＵが３個を単位として、所定のシーケンスで、作動操作されるように構成されている。この作動操作を制御するのが、図１に示す制御手段Ｃであり、この制御手段Ｃは、各原料ガス流入管ｄ１に設けられる３方弁ｖ１、各ベント流出管ｄ２に設けられる開閉弁ｖ２、各連通管ｄ３に設けられる開閉弁ｖ３、各均圧管ｄ４に設けられる開閉弁ｖ４及び真空ポンプＰの運転制御をおこなう。さらに、先に説明した炭鉱ガス捕集用のブロワー（図外）は常時運転されており、３方弁ｖ１において、原料ガス流入管ｄ１が吸収ユニットＵのガス流入口１に連通接続される状態（製品タンクＴはガス流入口１に接続されない）で、原料ガスの吸着ユニットＵ内への導入が可能となっている。
【００４５】
図３は、上記のシーケンスを模式的に示したものであり、同図に示すように、この可燃性ガスの濃縮システムＳでは、ステップ（ａ）〜(ｉ)の９ステップを１サイクルとして運転を繰り返す。図３の各ステップの説明では、各吸着ユニットＵにおいて、各ステップで実行されている動作を簡略化して説明している。
図３において、中抜き実線矢印は原料ガス又は昇圧ガス（空気）の流入方向を示し、影付実線矢印はベントの流出方向を示している。さらに、中抜き一点鎖線矢印は製品ガスである濃縮ガスの流出方向を示し、中抜き破線矢印は均等動作におけるユニットの連通接続関係と、ガスの流れ方向を示している。
さらに、「連通吸着」「脱着」「均圧」「独立吸着」「脱着」は、それぞれ動作を示し、これら記載の下側に示されている実線矢印は、当該動作時のガスの流れ方向に対応している。さらに、「連通吸着」と記載している一対の吸着ユニット間に渡って示されている湾曲した実線矢印は、これら一対の吸着ユニットが連通接続され、矢印の方向にガスが流れることを示している。
【００４６】
各ステップについて説明すると、以下の順に動作は進んでいる。
【００４７】
ステップ（ａ）
第１吸着ユニットＵ１及び第２吸着ユニットＵ２：両吸着ユニットＵ１，Ｕ２を連通管ｄ３で連通した状態で、原料ガスを第１吸着ユニットＵ１に流入させ、第２吸着ユニットＵ２からベントを放出する連通吸着状態とする。
第３吸着ユニットＵ３：脱着状態とする。
【００４８】
ステップ（ｂ）
第１吸着ユニットＵ１及び第３吸着ユニットＵ３：両吸着ユニットＵ１，Ｕ３を均圧管ｄ４で連通した状態で、第１吸着ユニットＵ１と第３吸着ユニットＵ３とを均圧状態とする。
第２吸着ユニットＵ２：独立吸着状態とする。
【００４９】
ステップ（ｃ）
第１吸着ユニットＵ１：脱着状態とする。
第２吸着ユニットＵ２：独立吸着状態とする。
第３吸着ユニットＵ３：昇圧状態とする。
【００５０】
ステップ（ｄ）
第２吸着ユニットＵ２及び第３吸着ユニットＵ３：両吸着ユニットＵ２，Ｕ３を連通管ｄ３で連通した状態で、原料ガスを第２吸着ユニットＵ２に流入させ、第３吸着ユニットＵ３からベントを放出する連通吸着状態とする。
第１吸着ユニットＵ１：脱着状態とする。
【００５１】
ステップ（ｅ）
第２吸着ユニットＵ２及び第１吸着ユニットＵ１：両吸着ユニットＵ２、Ｕ１を均圧管ｄ４で連通した状態で、第２吸着ユニットＵ２と第１吸着ユニットＵ１とを均圧状態とする。
第３吸着ユニットＵ３：独立吸着状態とする。
【００５２】
ステップ（ｆ）
第１吸着ユニットＵ１：昇圧状態とする。
第２吸着ユニットＵ２：脱着状態とする。
第３吸着ユニットＵ３：独立吸着状態とする。
【００５３】
ステップ（ｇ）
第３吸着ユニットＵ３及び第１吸着ユニットＵ１：両吸着ユニットＵ３，Ｕ１を連通管ｄ３で連通した状態で、原料ガスを第３吸着ユニットＵ３に流入させ、第１吸着ユニットＵ１からベントを放出する連通吸着状態とする。
第２吸着ユニットＵ２：脱着状態とする。
【００５４】
ステップ（ｈ）
第３吸着ユニットＵ３及び第２吸着ユニットＵ２：両吸着ユニットＵ３，Ｕ２を均圧管ｄ４で連通した状態で、第３吸着ユニットＵ３と第２吸着ユニットＵ２とを均圧状態とする。
第１吸着ユニットＵ１：独立吸着状態とする。
【００５５】
ステップ（ｉ）
第１吸着ユニットＵ１：独立吸着状態とする。
第２吸着ユニットＵ２：昇圧状態とする。
第３吸着ユニットＵ３：脱着状態とする。
この後、上記の動作シーケンスを繰り返す。
【００５６】
従って、このシステムにおいては、特定の吸着ユニットである第１吸着ユニットＵ１に注目して、動作シーケンスを追うと、以下の工程を経ることとなっている。
独立吸着工程
外部から第１吸着ユニットＵ１のガス流入口１を介して原料ガスを流入させ、残余のガスを第１吸着ユニットＵ１のガス流出口２から外部に流出させて、当該吸着ユニットＵ１内の吸着材ａに可燃性ガスを吸着させる（ステップｈ、ステップｉ）。
第１工程
第１吸着ユニットＵ１のガス流出口２が第２吸着ユニットＵ２のガス流入口１に連通接続されるとともに、第３吸着ユニットＵ３が他の吸着ユニットＵ１，Ｕ２から独立する第１状態で、外部から第１吸着ユニットＵのガス流入口１を介して原料ガスを流入させ、残余のガスを前記第２吸着ユニットＵ２のガス流出口２から外部に流出させて、両吸着ユニットＵ１，Ｕ２内の吸着材ａに可燃性ガスを吸着させる連通吸着動作（連通吸着）と、第３吸着ユニットＵ３の吸着材ａから可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作（脱着）とを実行する（ステップａ）。
第２工程
第１吸着ユニットＵ１のガス流出口２が第３吸着ユニットＵ３のガス流入口１に連通接続されるとともに、第２吸着ユニットＵ２が他の吸着ユニットＵ１，Ｕ２から独立する第２状態で、第１吸着ユニットＵ１から第３吸着ユニットＵ３へガスを流出させて、両吸着ユニットＵ１，Ｕ３内の圧力を均衡させる均圧動作（均圧）と、第２吸着ユニットＵ２に可燃性ガスを流入させ、当該吸着ユニットＵ２内の吸着材ａに可燃性ガスを吸着させる独立吸着動作（独立吸着）とを実行する（ステップｂ）。
第３工程
各吸着ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３がそれぞれ独立した状態に保たれ、第１吸着ユニットＵ１の吸着材ａから可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作（脱着）と、第２吸着ユニットＵ２に原料ガスを流入させ、当該吸着ユニットＵ２内の吸着材ａに可燃性ガスを吸着させる独立吸着動作（独立吸着）と、第３吸着ユニットＵ３に昇圧ガスを流入させ、当該吸着ユニットＵ３内を昇圧する昇圧動作とを実行する（ステップｃ）。
【００５７】
さらに、第１吸着ユニットＵ１が独立に可燃性ガスを吸着する前記独立吸着工程（ステップｈ・ステップｉ）は、第３吸着ユニットＵ３から第２吸着ユニットへガスＵ２を流出させて、両吸着ユニットＵ３，Ｕ２内の圧力を均衡させる均圧動作（均圧）を行うステップｈを実行した後、第３吸着ユニットＵ３の吸着材ａから可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着動作（脱着）と、第２吸着ユニットＵ２に昇圧ガスを流入させ、当該吸着ユニットＵ２内を昇圧する昇圧動作（昇圧）とを行うステップｉを実行するように構成されている。
【００５８】
以上説明してきた第１実施形態では、第１吸着ユニットＵ１、第２吸着ユニットＵ２、及び第３吸着ユニットＵ３間で、ステップ（ａ）〜ステップ（ｉ）を繰り返すことで、爆発限界濃度より高い濃度の製品ガスを得ることができる。即ち、本願に係る可燃性ガスの濃縮システムＳでは、特定の吸着ユニットＵに関して、脱着動作の前に連通吸着を実行し、その前に独立吸着を行っている。そして、脱着動作の前には、当該特定の吸着ユニットＵは、連通吸着状態で原料ガスが流入する吸着ユニットＵとされる。従って、この特定の吸着ユニットＵでは、内部の吸着材ａの全体が爆発限界を越えた濃度でメタンを吸着しており、脱着操作で得られる製品ガスの濃度を充分に高くすることができる。
【００５９】
〔第２実施形態〕
この実施形態に係る可燃性ガスの濃縮システムＳの構成を示したのが、図４であり、その動作説明図が図５である。これら図面は、第１実施形態の図１及び図３にそれぞれ対応する。図５の記載形態は、図３のそれを踏襲したものである。
【００６０】
この第２実施形態でも、３つの吸着ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３がそれぞれ備えられている。第１実施形態では、各吸着ユニットＵは円筒状に構成されていたのに対して、第２実施形態は、各吸着ユニットＵはＵ字状に構成されている。そして、各吸着ユニットＵのＵ字部位の全体に吸着材ａが充填されている。従って、この例では、原料ガス流入管ｄ１、ベント流出管ｄ２、連通管ｄ３、均圧管ｄ４を全て、システムＳの下部に集中することが可能となる。また、同図に示されるように、Ｕ字の下端面（開放側）は鉛直方向において同一高さとされている。この構成を採用する場合は、３角配置された各吸着ユニットＵ間において、下方向きに設けられるガス流入口１及びガス流出口２を極力近接することが可能となるため、特に連通管ｄ３、均圧管ｄ４の長さを短くすることが可能となり、爆発等が起こる可能性を極力低減することができる。
【００６１】
一方、制御手段Ｃによる、各弁ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４、真空ポンプＰの動作制御は、先に第１実施形態で説明したと同様な動作で、本願の目的を達成できる。
【００６２】
〔第３実施形態〕
この実施形態に係る可燃性ガスの濃縮システムＳの構成を示したのが、図６であり、第１実施形態の図１に対応する。
【００６３】
この第３実施形態でも、３つの吸着ユニットＵがそれぞれ備えられている。第１実施形態では、各吸着ユニットＵは円筒状に構成されていたのに対して、第３実施形態は、各吸着ユニットＵは二重筒状に構成されている。内筒ｕｉ内部の空間は、ユニット天井付近で、外筒ｕｏと内筒ｕｉとの間に形成されている空間と連通されている。そして、各吸着ユニットＵの二重筒の全体に吸着材ａが充填されている。従って、この例でも、原料ガス流入管ｄ１、ベント流出管ｄ２、連通管ｄ３、均圧管ｄ４を全て、システムＳの下部に集中することが可能となる。さらに、この構成を採用する場合は、３角配置された各吸着ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３間において、ガス流入口１及びガス流出口２を同方向（下方向）に向けることで、配管を短くすることが可能となるため、連通管ｄ３、均圧管ｄ４の長さを短くすることが可能となり、爆発等が起こる可能性を極力低減することができる。
【００６４】
[別実施形態]
（１）上記第１〜第３実施形態において、供給される原料ガス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、原料ガス流入管ｄ１上に除湿機を設置することで、原料ガス中の水分を除去することができる。また、吸着ユニットＵ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。
（２）上記第１〜第３実施形態においては、吸着ユニットＵに吸着材ａが充填されているが、この吸着材ａ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。
（３）上記第１〜第３実施形態においては、３つの吸着ユニットＵを用いた場合を説明したが、本願にあっては、一対の吸着ユニットが連通連結された状態で、吸着を行う連通吸着を実行し、その後、原料ガス供給側の吸着ユニットを独立させ、その吸着ユニットのみから吸着済みの可燃性ガスを脱着させれば、当該吸着ユニットを、十二分に使用できる。当然、実施形態で示したように、３つの吸着ユニットを単位としてもよいし、さらに多くの吸着ユニットを単位してもよい。
（４）上記第１〜第３実施形態においては、原料ガス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。
（５）上記第１〜第３実施形態においては、各ステップの管理を経験的に判明している各ステップの運転時間として管理することができる。さらに、吸着動作に関しては、放出されてくるベントにおける可燃性ガスの濃度に応じて、吸着を含むステップに時間管理を行うこともできる。
（６）上記可燃性ガス脱着工程が終了した後、均圧工程を実行し、その後、昇圧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。
（７）一方、原料ガスとしては、その一部又は全部に製品ガスを含むものとしてもよい。
（８）上記の第１〜第３の実施形態にあっては、原料ガス流入管ｄ１、ベント流出管ｄ２、連通管ｄ３、均圧管ｄ４を別個に設け、原料ガス流入管ｄ１を利用して製品ガスを製品タンクＴ側に流出させる機能（製品ガス回収用に用いる）を持たせ、ベント流出管ｄ２を利用して昇圧ガスを吸着ユニットＵ内に流入させる機能（昇圧する）を持たせるものとしたが、製品回収用の管、昇圧用の管を別途設けてよいし、ガス流入口、ガス流出口に対して別個に設けられる単一の管に、複数の３方弁を設けて、ガス流入口側の管に、原料ガス流入、製品ガス流出、連通時のガス流入或は均圧時のガス流入の機能を持たせ、ガス流出口側の管に、ベント流出、昇圧ガス流入、連通時のガス流出或は均圧時のガス流出の機能を持たせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
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、各吸着ユニットに収納される吸着材の全部を充分に活用することができ、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。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１実施形態の可燃性ガス濃縮システムの構成を示す概略構成図
【図２】本願におけるメタン吸着材の吸着特性を示す図
【図３】第１実施形態における可燃性ガス濃縮システムの動作説明図
【図４】第２実施形態の可燃性ガス濃縮システムの構成を示す概略構成図
【図５】第２実施形態における可燃性ガス濃縮システムの動作説明図
【図６】第３実施形態の可燃性ガス濃縮システムの構成を示す概略構成図
【符号の説明】
【００６７】
Ｃ：制御手段（制御装置）
Ｐ：真空ポンプ
Ｓ：可燃性ガス濃縮システム
Ｔ：製品タンク
Ｕ：吸着ユニット
Ｕ１：第１吸着ユニット
Ｕ２：第２吸着ユニット
Ｕ３：第３吸着ユニット
ａ：吸着材
ｄ１：原料ガス流入管
ｄ２：ベント流出管
ｄ３：連通管
ｄ４：均圧管
ｖ１：３方弁
ｖ２：開閉弁
ｖ３：開閉弁
ｖ４：開閉弁
１：ガス流入口
２：ガス流出口
【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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