JP2007246414A - メタン濃縮装置及びメタン濃縮方法 - Google Patents

Abstract

【課題】混合ガス中に含まれるメタンを濃縮し、高濃度のメタンガスを製造するメタン濃縮装置及びメタン濃縮方法を提供する。
【解決手段】配管ラインシステムは、メタンを含む混合ガスを導入する混合ガス導入部１と、キャリヤーガスを供給するキャリヤーガス供給部２と、混合ガスから水を除去する脱水部３と、混合ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部４と、水及び二酸化炭素が除去された混合ガスからメタンを捕捉し保持するとともに保持したメタンを放出することが可能なメタン捕捉部５と、を備えている。そして、キャリヤーガス供給部２，混合ガス導入部１，脱水部３，二酸化炭素除去部４，及びメタン捕捉部５が直列に連結されていて、混合ガス導入部１から導入された混合ガスが、キャリヤーガスにより脱水部３，二酸化炭素除去部４，メタン捕捉部５の順で搬送されるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、混合ガス中に含まれるメタンを濃縮する装置、及び、混合ガス中に含まれるメタンを濃縮する方法に関する。

自然環境下で生成されたメタンには、生物起源のものと非生物起源のものとの２種類が存在する。そして、生物起源の場合は、生成経路によりさらに２種類（二酸化炭素還元経路と酢酸分解経路）に分けられる。このような自然環境下で生成されたメタンの起源及び生成経路は、メタンを構成する炭素及び水素の同位体比を測定することによって識別することができると考えられている。
特開昭６２−１５３３９０号公報 特開平７−５５７８０号公報

これまで、自然環境下で採取されたメタンや実験的に生成されたメタンの同位体比のデータが報告されているが、正確な水素同位体比を測定できる十分な測定技術が確立されているとは言えない状況であった。すなわち、信頼できる水素同位体比を測定するためには、ある程度の容積（標準状態で数ｍＬ）の高純度メタンが必要であるが、自然環境下や実験的に生成されたメタンは、メタン以外のガスが含まれている混合ガスであり、且つ、メタンの濃度が低い（数％）ために、必要な容積のガスを集めることは容易ではない。

また、ガスクロマトグラフィーでメタンを測定する場合には、シリンジを用いてガスクロマトグラフ装置にガスを注入するが、この注入方法ではガス注入量に限界（数ｍＬ程度）があるので、微量のメタンを検出することは困難である。さらに、混合ガス中のメタンの濃度が低いので、クロマトグラフにおいてメタンのピークに隣接して他種のガスのピークが存在すると、メタンの測定が困難となる（他種のガスのピークが大きいので、微量なメタンのピークは影響を受けやすい）。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、混合ガス中に含まれるメタンを濃縮し、高濃度のメタンガスを製造するメタン濃縮装置及びメタン濃縮方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１のメタン濃縮装置は、メタンを含む混合ガスをキャリヤーガスにより搬送しつつ複数の処理を施してメタンを濃縮する装置であって、前記混合ガスを導入する混合ガス導入部と、前記キャリヤーガスを供給するキャリヤーガス供給部と、前記キャリヤーガスにより搬送された前記混合ガスから水を除去する脱水部と、前記キャリヤーガスにより搬送された前記混合ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部と、水及び二酸化炭素が除去された前記混合ガスからメタンを捕捉し保持するとともに保持したメタンを放出することが可能なメタン捕捉部と、を備え、前記キャリヤーガス供給部と前記混合ガス導入部と前記脱水部と前記二酸化炭素除去部と前記メタン捕捉部とが配管で直列に連結されていることを特徴とする。

また、本発明に係る請求項２のメタン濃縮装置は、請求項１に記載のメタン濃縮装置において、前記脱水部は乾燥剤を備えており、前記混合ガスを前記乾燥剤に接触させることにより前記混合ガスから水を除去するようになっていることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３のメタン濃縮装置は、請求項１又は請求項２に記載のメタン濃縮装置において、前記二酸化炭素除去部は二酸化炭素吸収剤を備えており、前記混合ガスを前記二酸化炭素吸収剤に接触させることにより前記混合ガスから二酸化炭素を除去するようになっていることを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項４のメタン濃縮装置は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のメタン濃縮装置において、前記メタン捕捉部は活性炭を備えており、水及び二酸化炭素が除去された前記混合ガスを前記活性炭に接触させることにより前記混合ガスからメタンを捕捉し吸着するようになっていることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項５のメタン濃縮装置は、請求項４に記載のメタン濃縮装置において、前記メタン捕捉部は、−９０℃以上−７０℃以下でメタンを捕捉し、２０℃以上２００℃以下でメタンを放出するようになっていることを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項６のメタン濃縮方法は、メタンを含む混合ガスをキャリヤーガスにより脱水部及び二酸化炭素除去部に搬送し、前記混合ガスから水及び二酸化炭素を除去した後、さらにメタン捕捉部に搬送して、水及び二酸化炭素が除去された前記混合ガスからメタンを捕捉して前記メタン捕捉部に保持させ、この保持したメタンを前記メタン捕捉部から放出させることを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項７のメタン濃縮方法は、請求項６に記載のメタン濃縮方法において、前記脱水部は乾燥剤を備えており、前記混合ガスを前記乾燥剤に接触させることにより前記混合ガスから水を除去することを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項８のメタン濃縮方法は、請求項６又は請求項７に記載のメタン濃縮方法において、前記二酸化炭素除去部は二酸化炭素吸収剤を備えており、前記混合ガスを前記二酸化炭素吸収剤に接触させることにより前記混合ガスから二酸化炭素を除去することを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項９のメタン濃縮方法は、請求項６〜８のいずれか一項に記載のメタン濃縮方法において、前記メタン捕捉部は活性炭を備えており、水及び二酸化炭素が除去された前記混合ガスを前記活性炭に接触させることにより前記混合ガスからメタンを捕捉し吸着することを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項１０のメタン濃縮方法は、請求項９に記載のメタン濃縮方法において、前記メタン捕捉部は、−９０℃以上−７０℃以下でメタンを捕捉し、２０℃以上２００℃以下でメタンを放出することを特徴とする。

本発明によれば、混合ガス中に含まれるメタンを濃縮し、高濃度のメタンガスを製造することができる。

本発明に係るメタン濃縮装置及びメタン濃縮方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係るメタン濃縮装置の一実施形態である配管ラインシステムを示す図である。
図１の配管ラインシステムは、メタンを含む混合ガスをキャリヤーガスにより搬送しつつ複数の処理を施してメタンを濃縮する装置である。詳述すると、配管ラインシステム中に設置された複数の処理部（後述する脱水部３，二酸化炭素除去部４，及びメタン捕捉部５）に、メタンを含む混合ガスをキャリヤーガスにより順次送り込み、前記各処理部においてそれぞれ処理を施すことによりメタンを濃縮する装置である。

この配管ラインシステムは、メタンを含む混合ガスを配管ラインシステム内に導入する混合ガス導入部１と、キャリヤーガスを供給するキャリヤーガス供給部２と、混合ガスから水を除去する脱水部３と、混合ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部４と、水及び二酸化炭素が除去された混合ガスからメタンを捕捉し保持するメタン捕捉部５と、を備えている。

そして、キャリヤーガス供給部２，混合ガス導入部１，脱水部３，二酸化炭素除去部４，及びメタン捕捉部５が、前記記載順で直列に連結されていて、混合ガス導入部１から導入された混合ガスがキャリヤーガスにより脱水部３，二酸化炭素除去部４，メタン捕捉部５の順で搬送されるようになっている。なお、配管ラインシステム中には、後述するバルブが適宜設置されていて、混合ガス及びキャリヤーガスの搬送先や搬送経路が制御可能となっている。また、圧力計１０も適宜設置されていて、配管内の圧力が測定可能となっている。

自然環境下で生成されたメタンは、メタンとともに二酸化炭素，水，水素，窒素等が含まれている混合ガスであり、且つ、メタンの濃度が約０．１％〜数％と低い。このような混合ガスを図１の配管ラインシステムを用いて処理すれば、脱水部３で水が除去され、二酸化炭素除去部４で二酸化炭素が除去された上、メタン捕捉部５でメタンのみが捕捉されて、水素，窒素等の他のガスはメタン捕捉部５を通過し配管ラインシステム外に排出される。そして、メタン捕捉部５に保持されているメタンをメタン捕捉部５から放出させれば、高濃度のメタンを得ることができる。

脱水部３の構成は、混合ガスから水を除去できるならば特に限定されるものではないが、乾燥剤を備えていて、混合ガスを乾燥剤に接触させることにより混合ガスから水を除去するような構成が好ましい。例えば、管状部材に乾燥剤を充填したものが好ましい。乾燥剤の具体例としては、過塩素酸マグネシウム，酸化マグネシウム，硫酸マグネシウム，水素化カルシウム，酸化カルシウム，硫酸カルシウム，塩化カルシウム，炭酸カリウム，水酸化カリウム，硫酸ナトリウム，水酸化ナトリウム，酸化アルミニウム，水素化リチウムアルミニウム，硫酸銅，五酸化リン，濃硫酸，モレキュラーシーブ，シリカゲルがあげられる。

また、二酸化炭素除去部４の構成は、混合ガスから二酸化炭素を除去できるならば特に限定されるものではないが、二酸化炭素吸収剤を備えていて、混合ガスを二酸化炭素吸収剤に接触させることにより混合ガスから二酸化炭素を除去するような構成が好ましい。例えば、管状部材に二酸化炭素吸収剤を充填したものが好ましい。二酸化炭素吸収剤の具体例としては、水酸化カリウム，水酸化ナトリウム等のアルカリ性物質やThomas Scientific社製のアスカライト（Ascarite II ）があげられる。

さらに、メタン捕捉部５の構成は、水及び二酸化炭素が除去された混合ガスからメタンを選択的に捕捉し保持することが可能であるとともに、保持したメタンを放出することが可能であれば特に限定されるものではないが、活性炭を備えていて、水及び二酸化炭素が除去された混合ガスを活性炭に接触させることにより混合ガスからメタンを選択的に捕捉し吸着するような構成が好ましい。例えば、管状部材に活性炭を充填したものが好ましい。

水及び二酸化炭素が除去された混合ガスには、メタンの他に水素，窒素等が含まれているが、例えば−８０℃のような低温下で混合ガスを活性炭に接触させると、メタンが選択的に吸着され、水素，窒素等の他のガスは活性炭に吸着されずメタン捕捉部５を通過する。その後、活性炭を例えば室温に加熱すると、活性炭に吸着されていたメタンが脱着され、高濃度のメタンが得られる。

活性炭にメタンを吸着させる際の温度は特に限定されるものではないが、−９０℃以上−７０℃以下であることが好ましい。−９０℃未満であると、窒素や水素も活性炭に吸着されるという不都合が生じるおそれがあり、−７０℃超過であると、メタンが十分に吸着しないという不都合が生じるおそれがある。一方、活性炭からメタンを脱着させる際の温度は特に限定されるものではないが、２０℃以上２００℃以下であることが好ましい。２０℃未満であると、メタンの脱着が遅くなるという不都合が生じるおそれがあり、２００℃超過であると、活性炭が崩壊するという不都合が生じるおそれがある。
なお、キャリーヤーガスの種類は特に限定されるものではないが、ヘリウム，アルゴン，窒素等の不活性ガスが好ましい。

次に、図１の配管ラインシステムを用いて混合ガス中に含まれるメタンを濃縮する方法について詳細に説明する。
まず、バルブ１２，１３を開状態とし、キャリヤーガス供給部２から供給されるキャリヤーガスが二方バルブ１５及び六方バルブ１６に送られるようにする。そして、バルブ１２を経て送られてきたキャリヤーガスが、混合ガス導入部１には送られず、脱水部３及び二酸化炭素除去部４に送られるように、二方バルブ１５を設定する（すなわち、二方バルブ１５の点線で示した経路をキャリヤーガスが通るように設定する）。また、脱水部３及び二酸化炭素除去部４を通過したキャリヤーガスが、ガスクロマトグラフ装置７には送られず、六方バルブ１６に送られるように、六方バルブ１７を設定する（すなわち、六方バルブ１７の実線で示した経路をキャリヤーガスが通るように設定する）。

さらに、六方バルブ１７を経て送られてきたキャリヤーガスがメタン捕捉部５に送られるとともにメタン捕捉部５を通過した後に六方バルブ１７へ戻ように、且つ、バルブ１３を経て送られてきたキャリヤーガスがベントから外部に排出されるように、六方バルブ１６を設定する（すなわち、六方バルブ１６の実線で示した経路をキャリヤーガスが通るように設定する）。

各バルブを上記のように設定したら、キャリヤーガス供給部２のバルブ１１を開状態とし、キャリヤーガスを供給する。すると、キャリヤーガスがバルブ１２及び二方バルブ１５を経て脱水部３，二酸化炭素除去部４，六方バルブ１７，六方バルブ１６，メタン捕捉部５を通過し、さらに六方バルブ１６を経て六方バルブ１７に連結するベントから外部に排出される。また、バルブ１３を経て六方バルブ１６に至ったキャリヤーガスは、六方バルブ１６に連結するベントから外部に排出される。このように、キャリヤーガスを流すことにより、前記各処理部及び配管内に残留している残留ガスを除去し、キャリヤーガスに置換する。

次に、メタン，二酸化炭素，水，水素，窒素等を含む混合ガス（メタンの濃度は０．１％）を、両端にストップバルブを有するガラス容器に入れ、配管ラインシステムの混合ガス導入部１に接続する。このようにすれば、大量の混合ガスでも配管ラインシステム内に導入することが可能である。そして、前記ガラス容器の両ストップバルブを開状態とする。また、バルブ１２を経て送られてきたキャリヤーガスが、脱水部３及び二酸化炭素除去部４に直接的に送られるのではなく混合ガス導入部１を経由して送られるように、二方バルブ１５を設定する（すなわち、二方バルブ１５の実線で示した経路をキャリヤーガスが通るように設定する）。六方バルブ１６，１７の設定は、前述のまま変更しない。

各バルブを上記のように設定すると、キャリヤーガスがバルブ１２及び二方バルブ１５を経て混合ガス導入部１に送られ、混合ガスを下流側へ押し流す。押し流された混合ガスは脱水部３に送られて水が除去され、続いて二酸化炭素除去部４に送られて二酸化炭素が除去される。
水及び二酸化炭素が除去された混合ガスは、キャリヤーガスに押し流されつつ六方バルブ１７，六方バルブ１６を通過し、例えば−８０℃に冷却された活性炭を備えるメタン捕捉部５に至る。ここで、混合ガス中のメタンは選択的に捕捉されメタン捕捉部５内に保持されるが、水素，窒素等はメタン捕捉部５に捕捉されることなく通過し、六方バルブ１６を経て六方バルブ１７に連結するベントから外部に排出される。

次に、活性炭の温度を例えば室温まで加熱すると、活性炭に吸着されていたメタンが脱着されるので、高濃度のメタンが得られる。脱着されたメタンは、キャリヤーガスにより六方バルブ１６，１７を経てガスクロマトグラフ装置７に送られ、分析される。
送られた高濃度のメタンは、ガスクロマトグラフ装置７に備えられた分離カラム７ａ（例えばPorapack Q）により、純メタンと微量な他種のガスとに分離され、検出器７ｂによりそれぞれ定量される。分析の結果、メタンの純度は約１００％であった。なお、検出器７ｂの種類は特に限定されるものではなく、例えば熱伝導度型検出器（ＴＣＤ）や水素炎イオン化型検出器（ＦＩＤ）を用いることができる。また、ガスクロマトグラフ装置７に備えられた質量分析装置７ｃに高濃度のメタンを送って、分析を行ってもよい。

検出器７ｂを通ったガスは、二方バルブ１８により燃焼管に導入される。燃焼管においてメタンを酸化銅と高温下で反応させ、二酸化炭素と水に変換する。そして、二酸化炭素と水とを分離して、二酸化炭素から炭素同位体比を、水から水素同位体比をそれぞれ測定した。標準状態で数ｍＬの高濃度のメタンを用いて測定したので、信頼できる炭素同位体比及び水素同位体比を得ることができた。

本発明に係るメタン濃縮装置の一実施形態である配管ラインシステムを示す図である。

符号の説明

１ 混合ガス導入部
２ キャリヤーガス供給部
３ 脱水部
４ 二酸化炭素除去部
５ メタン捕捉部

Claims (10)

1. メタンを含む混合ガスをキャリヤーガスにより搬送しつつ複数の処理を施してメタンを濃縮する装置であって、
   前記混合ガスを導入する混合ガス導入部と、前記キャリヤーガスを供給するキャリヤーガス供給部と、前記キャリヤーガスにより搬送された前記混合ガスから水を除去する脱水部と、前記キャリヤーガスにより搬送された前記混合ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部と、水及び二酸化炭素が除去された前記混合ガスからメタンを捕捉し保持するとともに保持したメタンを放出することが可能なメタン捕捉部と、を備え、前記キャリヤーガス供給部と前記混合ガス導入部と前記脱水部と前記二酸化炭素除去部と前記メタン捕捉部とが配管で直列に連結されていることを特徴とするメタン濃縮装置。
2. 前記脱水部は乾燥剤を備えており、前記混合ガスを前記乾燥剤に接触させることにより前記混合ガスから水を除去するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のメタン濃縮装置。
3. 前記二酸化炭素除去部は二酸化炭素吸収剤を備えており、前記混合ガスを前記二酸化炭素吸収剤に接触させることにより前記混合ガスから二酸化炭素を除去するようになっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のメタン濃縮装置。
4. 前記メタン捕捉部は活性炭を備えており、水及び二酸化炭素が除去された前記混合ガスを前記活性炭に接触させることにより前記混合ガスからメタンを捕捉し吸着するようになっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のメタン濃縮装置。
5. 前記メタン捕捉部は、−９０℃以上−７０℃以下でメタンを捕捉し、２０℃以上２００℃以下でメタンを放出するようになっていることを特徴とする請求項４に記載のメタン濃縮装置。
6. メタンを含む混合ガスをキャリヤーガスにより脱水部及び二酸化炭素除去部に搬送し、前記混合ガスから水及び二酸化炭素を除去した後、さらにメタン捕捉部に搬送して、水及び二酸化炭素が除去された前記混合ガスからメタンを捕捉して前記メタン捕捉部に保持させ、この保持したメタンを前記メタン捕捉部から放出させることを特徴とするメタン濃縮方法。
7. 前記脱水部は乾燥剤を備えており、前記混合ガスを前記乾燥剤に接触させることにより前記混合ガスから水を除去することを特徴とする請求項６に記載のメタン濃縮方法。
8. 前記二酸化炭素除去部は二酸化炭素吸収剤を備えており、前記混合ガスを前記二酸化炭素吸収剤に接触させることにより前記混合ガスから二酸化炭素を除去することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のメタン濃縮方法。
9. 前記メタン捕捉部は活性炭を備えており、水及び二酸化炭素が除去された前記混合ガスを前記活性炭に接触させることにより前記混合ガスからメタンを捕捉し吸着することを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載のメタン濃縮方法。
10. 前記メタン捕捉部は、−９０℃以上−７０℃以下でメタンを捕捉し、２０℃以上２００℃以下でメタンを放出することを特徴とする請求項９に記載のメタン濃縮方法。

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