JP2008240835A - ガスを吸着材を用いて回収し、再利用する方法及びシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】導管工事の際に導管内に残存するガスや比較的小規模で点在するバイオガス、その他の各種ガスを吸着材を用いて回収し、再利用する場合における吸着材によるガス吸着に際して発生する吸脱着熱の影響を可及的に減少する。
【解決手段】吸着材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを使用してガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を温度調節ユニットによって吸収して吸脱着熱による影響を低減することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法及びそのためのシステム。吸着材を充填した耐圧構造の容器には吸着材とともに蓄熱材を充填してもよい。
【選択図】図5

Description

本発明は、導管工事等に際し導管内に残存するガスや比較的小規模で点在するバイオガス、その他のガスを吸着材を用いて回収し、且つ再利用する方法及びそのためのシステムに関する。
従来、回収対象ガスが残存する閉空間と吸着材を充填した減圧容器を接続して回収容器にガスを吸着させる技術は知られている(特開2004−132662号公報)。
一方、吸着材を充填したガス吸着貯蔵容器において、吸着材にガスを吸着させると温度が上昇して貯蔵量が減少するという課題がある。
例えば、特開2000−088195号公報には、ガスを吸着させる際に高温のガスをガス供給部に戻して冷却することにより吸着熱の影響を低減させる方法が記載され、特開2000−088195号公報や特開平6−134240号公報には、吸着容器を冷却、加温するための熱交換器やヒーター、冷媒管が取り付けられている吸着貯蔵容器が記載されている。
また、特開平5−099538号公報には、内部に真空の吸着室を形成した真空容器と、真空容器の吸着室内に設けられた吸着質及び吸着剤と、吸着剤を加熱する加熱手段と、吸着質との間で熱交換媒体に対する熱交換を行う熱交換手段を備えて構成された吸着式熱交換器が記載されている。これにより、吸着質を気化させて吸着剤に吸着するとともに、加熱手段により加熱して吸着質を吸着剤により脱着する作用を繰り返すことにより連続的な熱交換(冷却)作用を実現することができるとされている。
また、特開2003−278996号公報には、金属板とガス吸着層を交互に積層させたタンク構造体を容器内に収納してなるガス貯蔵タンクが記載され、これによりガス吸着材の吸発熱つまり吸熱及び発熱に対応した効率的な熱交換を可能とするとされている。
特開2004−132662号公報 特開2000−88195号公報 特開平6−134240号公報 特開平5−099538号公報 特開2003−278996号公報
そのように、吸着材を用いてガスを貯蔵する際には吸着熱の影響で回収量が減少するのは共通の課題であり、特にその貯蔵量が多い場合には吸着熱の影響が顕著である。この課題に対して、特に特開2000−088195号公報や特開平6−134240号公報のように、外部熱源を用いて吸着材を充填したガス吸着貯蔵容器を冷却する方法は既に知られている。しかし、導管工事、導管内清掃用ピグの到達点、ガバナステーション(整圧器)などにおけるガス回収においては現場が点在する場合が多いため吸脱着熱の影響を回避することが難しいという問題があった。
そこで、本発明は、導管工事等の際に導管内に残存するガスや比較的小規模で点在するバイオガス、その他の各種ガスを吸着材を用いて回収し、再利用する場合におけるそれらの問題を解決してなる、ガスを吸着して回収し且つ再利用する方法及びそのためのシステムを提供することを目的とするものである。
本発明は、(1)吸着材を充填した耐圧構造の容器を使用してガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱による影響を低減することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法を提供する。
本発明は、(2)吸着材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを使用してガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を温度調節ユニットによって吸収して吸脱着熱による影響を低減することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法を提供する。
本発明は、(3)吸着材及び蓄熱材を充填した耐圧構造の容器を使用してガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材及び蓄熱材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を前記蓄熱材により吸収して吸脱着熱による影響を低減することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法を提供する。
本発明は、(4)吸着材及び蓄熱材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを使用してガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材及び蓄熱材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を前記蓄熱材および/または温度調節ユニットにより吸収して吸脱着熱による影響を低減することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法を提供する。
本発明は、(5)吸着材を充填した耐圧構造の容器を使用してガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステムであって、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱による影響を低減するようにしてなることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステムを提供する。
本発明は、(6)吸着材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを使用してガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステムであって、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を前記温度調節ユニットにより吸収して吸脱着熱による影響を低減するようにしてなることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステムを提供する。
本発明は、(7)吸着材及び蓄熱材を充填した耐圧構造の容器を使用してガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステムであって、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を前記蓄熱材により吸収して吸脱着熱による影響を低減するようにしてなることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステムを提供する。
本発明は、(8)吸着材及び蓄熱材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを使用してガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステムであって、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を前記蓄熱材および/または温度調節ユニットにより吸収して吸脱着熱による影響を低減するようにしてなることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステムを提供する。
本発明によれば、吸着材を用いてガスを吸着して回収し且つ再利用するに際して、吸着材によるガス吸着、また吸着ガスの脱着に際して発生する吸脱着熱の影響を可及的に減少することができる。
まず、本発明の前提として、ガス吸着時の発熱に伴う活性炭吸着材の温度上昇、ガス脱着時の吸熱による活性炭吸着材の温度低下の実測例を示すと図1〜3のとおりである。
図1はC3炭化水素つまりプロパンを20Lの容器に約32L/minで回収した場合である。図1(a)は吸着時、図1(b)は脱着時の場合である。図1(a)のとおり、吸着材の温度は20℃であり、測定開始から約100秒後に、ガス回収を開始するとそれ以降急激に上昇し、測定開始時から420秒間で70℃にまで上昇している。
また、脱着時においては、脱着開始時点における吸着材の温度は20℃であり、その時点以降漸次低下し、ほぼ12000秒で5℃にまで低下している。この時のガス流速は平均で1.4L/minである。なお、脱着開始時点における吸着材の温度が20℃であるのは、図1(a)に示す吸着操作終了後、自然冷却により20℃に冷却した後に脱着が始まることによるものである。
図2はC4炭化水素つまりブタンを20Lの容器に約30L/minで回収した場合である。図2(a)は吸着時、図2(b)は脱着時の場合である。図2(a)のとおり、吸着時においては、吸着開始時点における吸着材の温度は18℃であり、測定開始から約220秒後にガス回収を開始すると急激に上昇し、測定開始時から600秒間で72℃にまで上昇している。
また、脱着時においては、脱着開始時点における吸着材の温度は47℃であり、その時点以降漸次低下し、ほぼ20000秒で12℃にまで低下している。この時のガス流速は平均で0.9L/minである。なお、脱着開始時点における吸着材の温度が47℃であるのは、図2(a)に示す吸着操作終了後、自然冷却により47℃に冷却した後に脱着を始めたことによるものである。
図3は消化ガスの場合である。図3(a)は吸着時、図3(b)は脱着時の場合である。図3(a)のとおり、吸着時においては、吸着開始時点における吸着材の温度は−4℃であり、その時点からガス回収を開始すると急激に上昇し、吸着開始時から800分で23℃にまで上昇している。容器体積は100Lでガス流速は2L/minである。
また、脱着時においては、脱着開始時点における吸着材の温度は23℃であり、その時点以降漸次低下し、ほぼ1100分でほぼ0℃にまで低下している。この時のガス流速は2L/minである。なお、脱着開始時点における吸着材の温度が23℃であるのは、図3(a)に示す吸着操作終了後、直ちに脱着が始まることによるものである。
図4は、活性炭吸着材によるブタンの吸着量について、吸着温度と吸着圧力との関係を示した図である。図4のとおり、その吸着量は、吸着温度25℃及び70℃とも吸着圧力を上げるに従って吸着量は増加するが、25℃の方がより高温である70℃のときに比べて吸着量が多く、しかも25℃では低圧でもより多く吸着することを示している。
これを吸脱着の観点からみると、例えば圧力0.02MPaにおいて、25℃では吸着量約200mg/g、70℃では吸着量約100mg/gであることから、温度を25℃と低くすることにより、70℃における吸着量に比べて約2倍多く吸着でき、また、同じく圧力0.02MPaにおいて、25℃では吸着量約200mg/g、70℃では吸着量約100mg/gであることから、圧力0.02MPaにおいて温度を25℃から70℃に上げることによりその差約100mg/gが脱着できることになる。
本発明(1)においては、吸着材を充填した耐圧構造の容器を使用する。そして、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱による影響を低減することを特徴とする。本発明(5)は本発明(1)の方法を実施するための装置すなわちシステムに相当している。
本発明(2)においては、吸着材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを使用する。そして、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を温度調節ユニットによって吸収して吸脱着熱による影響を低減することを特徴とする。本発明(6)は本発明(2)の方法を実施するためのシステムに相当している。
本発明(1)−(2)、(5)−(6)の発明においては、吸着材を充填した耐圧構造の容器を一つ使用してもよく、二つ以上に分けて使用してもよいが、二つ以上に分けることにより容器表面積を増やして放熱効果を高めることができる。
本発明(3)においては、吸着材及び蓄熱材を充填した耐圧構造の容器を使用する。そして、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材及び蓄熱材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を前記蓄熱材により吸収して吸脱着熱による影響を低減することを特徴とする。本発明(7)は本発明(3)の方法を実施するためのシステムに相当している。
本発明(4)においては、吸着材及び蓄熱材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを使用する。そして、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材及び蓄熱材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を前記蓄熱材および/または温度調節ユニットにより吸収して吸脱着熱による影響を低減することを特徴とする。本発明(8)は本発明(4)の方法を実施するためのシステムに相当するものである。
本発明において、耐圧構造の容器に充填する吸着材としては、活性炭のほか、ゼオライト、シリカゲル、粘土鉱物、金属酸化物、有機金属錯体、あるいは多孔質ガラスなどを使用することができる。
また、耐圧構造の容器に吸着材とともに充填する蓄熱材としては、金属片、常温付近で相変化する物質、その他吸着材よりも体積当たりの熱容量の大きいものを使用することができる。このうち金属片は吸着材と均一に混合して耐圧構造の容器に充填する。常温付近で相変化する物質としては、常温よりやや高い温度で相変化する物質で、例えば硫酸ナトリウム水和物、リン酸ナトリウム水和物、硝酸ニッケル水和物などが使用できる。これら常温付近で相変化する物質はできるだけ小分け、またはできるだけ薄いシート状にしてビニール等の袋に入れ、吸着材と均一に混合して耐圧構造の容器に充填する。
本発明においては、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスその他、回収する必要のあるガスであればいずれも回収対象とするが、その例としては、メタンガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガス、それらの混合ガス〔例えば、タクシーなどの燃料であるオートガス(プロパン20〜30%、ブタン80〜70%)〕、天然ガス、都市ガス、あるいはバイオガス、炭酸ガスなどが挙げられる。
本発明において、吸着材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニット、吸着材及び蓄熱材を充填した耐圧構造の容器、あるいは吸着材及び蓄熱材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを自動車、構内軌道などの車両に搭載するとさらに好ましい。
また、本発明においてはそれら回収ガスをその種類に応じてその用途に再利用する。その態様例として、回収ガスが炭化水素系のガスである場合、吸着材充填容器から脱着したガスをさらに搭載車両の燃料として使用することにより利用することもできる。
〈ガス回収の態様例〉
図5は、そのうち自動車に吸着材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを搭載する態様を示した図で、都市ガス輸送導管から残留ガスを回収する態様例を説明する図である。
図5のとおり、自動車に吸着材を充填した耐圧構造の容器、つまりガス回収容器タンク5と温度調節ユニット6を搭載する。ガス回収容器タンク5と温度調節ユニット6との間には、常法に従い温度調節ユニットからの熱媒体配管7を配置する。温度調節ユニット6としては吸着材によるガス吸着時に冷却し、吸着材からのガス脱着時に加熱する手段であればよく、例えばヒートポンプを使用する。ヒートポンプとして、ガスエンジンヒートポンプを用い、GHPで使いつつ容器に回収もすると回収量が増える。ヒートポンプとして、車の冷暖房回路を用い、同様にその動力源にガスを使用することで回収量が増える。
図5中、1は都市ガス輸送導管、2はガス輸送導管1の一部、3はガス輸送導管2の内部圧力を計測する圧力計である。ガス輸送導管2は交換の対象となる配管であり、適当な部分で切断されるか、あるいは継手を取り外す等の方法によって取り外される。ガス回収容器タンク5は、内部に吸着材として例えば活性炭、あるいはガス脱着処理された活性炭が充填されている。
ガス輸送導管2をその間に含む2箇所のバルブV1、V2を閉にする。次に、ガス輸送導管2の適当な場所にバルブV3を介して回収用の配管4を接続し、ガス輸送導管2内に残留している都市ガスを回収する。この時、必要に応じて配管4の途中で昇圧ポンプを用いてもよい。この回収操作間には都市ガス吸着による吸着熱が発生するので、温度調節ユニットを作動させて冷却して吸着熱による影響を低減させ、活性炭の温度上昇を低減させる。
ガス輸送導管2内の圧力が大気圧以下になったらバルブV3を閉にする。さらにガス回収用配管4をガス輸送導管2から取り外し、ガス輸送導管2の交換を行う。ガス回収用配管4をガス輸送導管2からの取り外した時点で、当該箇所での吸着材充填容器、温度調節ユニット搭載の自動車の役割は終了するので、当該自動車は、次の交換の対象となるガス輸送導管がある箇所に向かい、同様にしてガス回収を行うことができる。
なお、ガス回収容器タンク中の吸着材の吸着力によりガス輸送導管2中のガスを吸引・吸着するのでガス回収操作はバルブV3を開にするだけでよいが、バルブV3とともにポンプを配するか、あるいはバルブV3に替えてポンプを配してガス輸送導管2中のガスを吸引するようにしてもよい。
〈回収ガス再利用の態様例〉
図6は、回収ガスを再利用する態様を説明する図である。回収容器内が大気圧以上のときには、上側のラインaを用いてガスを消費機器へ送って再利用する。回収容器内が大気圧になったら、下側のラインbを用いて真空ポンプで吸引して吸着材を真空再生するとともに、脱着回収したガスを圧縮機で圧縮して消費機器へ送り、再利用する。この時、必要に応じて圧縮機でガスを圧縮してもよい。図6中V3〜V6はそれら操作を行うバルブである。
C3炭化水素の吸着時の発熱に伴う活性炭吸着材の温度上昇、C3炭化水素の脱着時の吸熱による活性炭吸着材の温度低下の実測値を示す図 C4炭化水素の吸着時の発熱に伴う活性炭吸着材の温度上昇、C4炭化水素の脱着時の吸熱による活性炭吸着材の温度低下の実測値を示す図 消化ガスの吸着時の発熱に伴う活性炭吸着材の温度上昇、消化ガスの脱着時の吸熱による活性炭吸着材の温度低下の実測値を示す図 活性炭吸着材によるメタンの吸着量について、吸着温度と吸着圧力の関係を示した図 自動車に吸着材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを搭載する態様及びガス輸送導管から残留ガスを回収する方法及びシステムの一例を説明する図 回収ガスを再利用する態様を説明する図
符号の説明
1 ガス輸送導管
2 ガス輸送導管1の一部
3 ガス輸送導管2の内部圧力を計測する圧力計
4 ガス回収用配管
5 自動車に搭載した吸着材を充填した耐圧構造の容器
6 自動車に搭載した温度調節ユニット
7 熱媒体配管
V1〜V6 バルブ
a、b 上下のライン

Claims (22)

  1. 吸着材を充填した耐圧構造の容器を使用し、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱による影響を低減することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法。
  2. 吸着材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを使用し、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を温度調節ユニットによって吸収して吸脱着熱による影響を低減することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法。
  3. 請求項1又は2において、前記吸着材を充填した耐圧構造の容器を二つ以上に分けることにより容器表面積を増やして放熱効果を高めることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法。
  4. 吸着材及び蓄熱材を充填した耐圧構造の容器を使用し、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材及び蓄熱材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を前記蓄熱材により吸収して吸脱着熱による影響を低減することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法。
  5. 吸着材及び蓄熱材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを使用し、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材及び蓄熱材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を前記蓄熱材および/または温度調節ユニットにより吸収して吸脱着熱による影響を低減することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法。
  6. 請求項4又は5において、前記蓄熱材が金属片、常温付近で相変化する物質、吸着材よりも熱容量の大きいものであることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項において、ガス回収の直前に前記容器及び吸着材をあらかじめ冷却することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法。
  8. 請求項1〜6のいずれか1項において、ガス回収直前に前回回収したガスを脱着することにより吸着材をあらかじめ冷却することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法。
  9. 請求項1〜6のいずれか1項において、回収するガスがメタンガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガス、それらの混合ガス、天然ガス、都市ガス、バイオガス、オートガスまたは炭酸ガスであることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法。
  10. 請求項1〜9のいずれか1項において、前記耐圧構造の容器及び温度調節ユニットを車両に搭載することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法。
  11. 請求項10において、前記吸着材充填容器から脱着したガスをさらに搭載車両の燃料として使用することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用する方法。
  12. 吸着材を充填した耐圧構造の容器を使用してガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステムであって、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱による影響を低減するようにしてなることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステム。
  13. 吸着材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを使用してガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステムであって、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を前記温度調節ユニットにより吸収して吸脱着熱による影響を低減するようにしてなることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステム。
  14. 請求項12又は13において、前記吸着材を充填した耐圧構造の容器を二つ以上に分けることにより容器表面積を増やして放熱効果を高めるようにしてなることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステム。
  15. 吸着材及び蓄熱材を充填した耐圧構造の容器を使用してガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステムであって、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を前記蓄熱材により吸収して吸脱着熱による影響を低減するようにしてなることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステム。
  16. 吸着材及び蓄熱材を充填した耐圧構造の容器と温度調節ユニットを使用してガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステムであって、ガス導管工事等の際に導管内に残存するガスを前記吸着材充填容器の吸着材により吸着回収及び再利用するに際して、吸脱着熱を前記蓄熱材および/または温度調節ユニットにより吸収して吸脱着熱による影響を低減するようにしてなることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステム。
  17. 請求項15または16において、前記蓄熱材が金属片、常温付近で相変化する物質、吸着材よりも熱容量の大きいものであることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステム。
  18. 請求項12〜17のいずれか1項において、ガス回収の直前に前記容器及び吸着材をあらかじめ冷却するようにしてなることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステム。
  19. 請求項12〜17のいずれか1項において、ガス回収の直前に前回回収したガスを脱着することにより吸着材をあらかじめ冷却するようにしてなることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステム。
  20. 請求項12〜17のいずれか1項において、回収するガスがメタンガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガス、それらの混合ガス、天然ガス、都市ガス、バイオガス、オートガスまたは炭酸ガスであることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステム。
  21. 請求項12〜17のいずれか1項において、耐圧構造の容器及び温度調節ユニットを車両に搭載することを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステム。
  22. 請求項21において、前記吸着材充填容器から脱着したガスをさらに搭載車両の燃料として使用するようにしてなることを特徴とするガスを吸着して回収し且つ再利用するためのシステム。
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