JP4823949B2 - 混合ガス貯蔵容器 - Google Patents

Description

本発明は混合ガス貯蔵容器に係り、特に、消化ガスの貯蔵・安定供給に好適な混合ガス貯蔵容器に関する。

近年、資源有効利用、環境保全に対する社会的要請により、下水処理、畜産廃棄物処理等に伴い発生する消化ガス（バイオガス）の有効利用が求められている。この種の技術に関しては、消化ガスを脱硫・除湿・加圧した後に、吸着材を用いて貯蔵する技術が公知である。

しかしながら、消化ガスの主成分であるメタン（ＣＨ４）と二酸化炭素（ＣＯ２）では、ＣＯ２の方が吸着され易く脱着し難いため、容器内圧力変化に伴い送出ガスの組成が変動するという問題がある。高密度貯蔵と組成変動解消を両立させるものとして、貯蔵した消化ガスを脱着して貯蔵容器から追い出す際に、カスケード方式により熱量調整を行う技術が開示されている（例えば特許文献１）。しかしながら、特許文献１の方法によれば、消化ガスの他に天然ガス等の高熱量ガスが必須であり、また高度の熱量調整手段が必要となるためコストアップが避けられないという問題がある。

一方、混合ガスの貯蔵、放出を安定的に行うものとして、細孔径の異なる複数の吸着材層からなる吸着貯蔵容器に関する技術が開示されている（例えば特許文献２）。図５は、この技術による混合ガス貯蔵システム１００を示す。貯蔵時には、燃料である天然ガスを配管１１０→三方弁１０６→配管１０８→ガス流入出口１０５の経路で貯蔵容器１０１に取り込む。また、燃料使用時には、天然ガスを配管１０８→三方弁１０６→配管１０９の経路で負荷装置であるエンジン１０７に供給する。

このシステムに用いる貯蔵容器１０１は、内部に隔壁１０４を介して２種類の吸着材（第一の吸着材１０２、第二の吸着材１０３）を備えおり、第一の吸着材１０２には分子量の大きなガス分子を優先的に吸着する吸着材が充填されている。このような構造により、分子量の大きなガスが吸着材の細孔を閉塞して、吸着材全体としての吸着量を低下させてしまうという不都合を解消している。
同文献にはさらに、送出時のガス組成変動に対応するため、第一の吸着材層と第二の吸着材層に独立の取出口を設け、それぞれの送出流量を制御することによりガス組成を安定化する技術が開示されている。
特開２００１−２１４１７５号公報 特開２００３−２２２２９７号公報

しかしながら、特許文献２はメタン、エタン、プロパン、ブタン等、それぞれ分子径が大きく異なる混合ガスの貯蔵に関する技術開示である。これに対して消化ガスの場合は、主成分であるメタンと二酸化炭素は、分子径がそれぞれ４．０Å、３．２Åと比較的近く、上記技術をそのまま適用することはできない。
また、各吸着材層に独立の取出口を設けて送出流量を制御する方法は、構造が複雑となり、かつ、制御も難しいという問題がある。
さらに、上記技術は一旦貯蔵した後に送出することを前提としているため、ガス導入口と導出口を共用している。従って、貯蔵と供給を同時に行う必要がある用途には対応が難しいという問題もある。

本発明は、このような課題を解決するためのものであって、簡易な構造により混合ガスを高密度貯蔵し、組成変動を抑えて送出可能とするガス貯蔵容器を提供するものである。本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、
請求項１は、混合ガスを吸着材に吸着させて貯蔵するガス貯蔵容器であって、ヤシ殻系活性炭から成る第一の吸着材層と、樹脂系活性炭から成る第二の吸着材層と、を備えた吸着材層と、第一の吸着材層側にガス導入口と、第二の吸着材層側にガス導出口と、を備えて成ることを特徴とする混合ガス貯蔵容器である。
本発明に用いる活性炭は、それぞれ使用目的に合わせて適切な種類のヤシ殻系活性炭及び樹脂系活性炭を選択することができる。

上記発明において、第一の吸着材層と第二の吸着材層とを、接して配置することができる（請求項２）。
混合ガスとして、消化ガスを用いることができる（請求項３）。
上記発明において、第一の吸着材層の容積比率が３５％乃至７０％であることが好ましい（請求項４）。より好ましい容積比率は、４５％乃至６０％である（請求項５）。
上記発明において、樹脂系活性炭として、フェノール系樹脂活性炭を用いることができる（請求項６）。

本発明によれば、単一の吸着材を用いる貯蔵容器と比較して、高密度貯蔵及び送出ガスの組成変動抑制を高めることが可能となった。
また、隔壁を設けることなく、二つの吸着材が直接、接する二層構造としたので、簡易な構成で混合ガス貯蔵容器が可能となった。
また、貯蔵容器の第１層側と第２層側に独立のガス導入口と導出口を設けたため、混合ガスの導入と連続的供給とを同時に行うことが可能となった。

以下、本発明の実施形態について、図１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。

図１は、本実施形態に係る消化ガス貯蔵送出装置１の全体構成を示す図である。ガス貯蔵送出装置１は、２層に吸着材を充填した貯蔵容器２と、消化ガスを貯蔵容器２に送入するための配管Ｌ１と、貯蔵容器２内の消化ガスを消費機器３（例えばガスエンジン発電機）に供給するための配管Ｌ２と、により構成されている。
貯蔵容器２の外側両端には、配管Ｌ１、Ｌ２とそれぞれ接続する導入口２ａ及び導出口２ｂが設けられている。貯蔵容器２内部の導入口２ａ側にはヤシ殻系活性炭が、導出口２ｂ側には樹脂系活性炭が充填されている。両活性炭間には隔壁を設けることなく、両活性炭が直接、接するように充填されている。ヤシ殻系活性炭と樹脂系活性炭の容積比率は、５０：５０に設定されている。配管Ｌ１、Ｌ２の経路中には、それぞれ開閉弁Ｖ１、Ｖ２が設けられており、これらを操作することにより消化ガスの貯蔵及び供給を可能に構成されている。

ガス貯蔵送出装置１は以上のように構成されており、消化ガスを貯蔵容器２に貯蔵するときは弁Ｖ１開、Ｖ２閉とする。また、貯蔵と供給を同時に行うときは弁Ｖ１、Ｖ２開にすることにより、貯蔵しつつ消費機器３に連続的に送出することができる。
なお、本実施形態ではヤシ殻系活性炭と樹脂系活性炭の容積比率を５０：５０に設定したが、供給ガスの組成変動許容度に応じて適切な比率を選択することができる。
また、消化ガスに限らず他の混合ガスに用いることも可能である。

以下、本発明による貯蔵容器を用いて混合ガスの吸着、放出を行い、組成変動抑制性能を測定した結果について説明する。
（供試吸着材）
表１に、ヤシ殻系活性炭とフェノール系樹脂活性炭の吸着特性に関する物性値を示す。同表には比較例として用いた石炭系活性炭の物性値をも示してある。表中、ＣＨ４及びＣＯ２吸着量は、磁気浮遊式吸着量測定装置で測定した０．６ＭＰａにおける吸着量である。さらに、図２に各活性炭の細孔分布を示す。縦軸は、細孔分布を全細孔容量で規格化したものである。
ヤシ殻系活性炭とは、一般に２０Å以上のメソ孔が少なく２０Å以下のミクロ孔が多い活性炭である。また、樹脂系活性炭とは、一般に平均細孔径はヤシ殻系とあまり変わらないが細孔容量や比表面積が大きい活性炭である。石炭系活性炭とは、一般にメソ孔を多く持ち平均細孔径が大きい活性炭である。なお、本発明に係るヤシ殻系活性炭及び樹脂系活性炭が本実施例に用いた種類の活性炭に限定されないことは、言うまでもない。

（試験容器）
上述の貯蔵容器１と同一構成の容器（内容積５０ｍｌ）に、ヤシ殻系活性炭と樹脂系活性炭を表２左欄の組み合わせにより、２層に充填した試験容器１、２（実施例１，２）を用いた。なお、各欄の％表示は容積比である。
また、同欄の比較例１〜９は、比較のため用いた実施例以外の吸着材の組み合わせ、又は単一吸着材による試験容器の構成である。

（試験ガス）
消化ガスを想定した混合ガス（ＣＨ４：ＣＯ２＝６７：３３）を用いた。
（試験方法）
試験ガスを容器内圧力が０．６ＭＰａ（ゲージ圧）になるまで導入し、試験容器の活性炭に吸着させた。その後直ちに、吸着されているガスを約２時間掛けて、容器内が０．０２ＭＰａになるまで脱着した。脱着流速は約１０ｍｌ／ｍｉｎであった。この間、流出ガスの組成を質量分析計で測定して、ガス中のＣＨ４の組成比を測定した。

（試験結果）
脱着に伴う容器内ガスのＣＨ４比率の推移を図３に示す。また、流出ガス中ＣＨ４の組成比の変動、変動幅、及び変動幅／貯蔵量を、表２右欄に示す。同表より、ヤシ殻系活性炭と樹脂系活性炭の組み合わせである実施例１、２の変動幅、及び変動幅／貯蔵量の値が、その他の組み合わせ（比較例１〜９）に比べ小さいことが分かる。
図４は、実施例１、２及び比較例１のデータに基づいて、ヤシ殻容積比率（ヤシ殻容積／（ヤシ殻容積＋樹脂容積））とＣＨ４変動幅の関係を曲線近似したものである。同図には、比較例の中で最も変動幅が小さかった、比較例２のデータを点線で示してある。この図から、ヤシ殻比率が３５％−７０％の範囲（Ｒ２）で、他の組み合わせに対して優位性があり、特に４５％−６０％の範囲（Ｒ１）で変動幅抑制効果が顕著であることが分かる。

本発明は、下水処理、畜産廃棄物処理等の消化ガスに限らず、メタンを含む混合ガスを高密度に貯蔵し、安定的に送出するシステムに広く利用可能である。

本発明の一実施形態に係るガス貯蔵送出装置１の構成を示す図である。 活性炭の細孔径分布を示す図である。 放出時間経過に伴う試験ガス中のＣＨ４比率の推移を示す図である。 ヤシ殻系活性炭と樹脂系活性炭を充填した容器における、ヤシ殻比率とＣＨ４変動幅の関係を示す図である。 従来のガス貯蔵装置１００の構成を示す図である。

符号の説明

１・・・・消化ガス貯蔵送出装置
２・・・・貯蔵容器
３・・・・消費機器
２ａ・・・導入口
２ｂ・・・導出口
４ａ・・・ヤシガラ系活性炭
４ｂ・・・樹脂系活性炭
Ｌ１、Ｌ２・・・配管
Ｖ１、Ｖ２・・・開閉弁

Claims (6)

1. 混合ガスを吸着材に吸着させて貯蔵するガス貯蔵容器であって、
   ヤシ殻系活性炭から成る第一の吸着材層と、樹脂系活性炭から成る第二の吸着材層と、を備えた吸着材層と、
   第一の吸着材層側にガス導入口と、第二の吸着材層側にガス導出口と、
   を備えて成ることを特徴とする混合ガス貯蔵容器。
2. 前記第一の吸着材層と前記第二の吸着材層とを、接して配置して成ることを特徴とする請求項１に記載の混合ガス貯蔵容器。
3. 前記混合ガスが消化ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の混合ガス貯蔵容器。
4. 前記第一の吸着材層の容積比率が３５％乃至７０％であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の混合ガス貯蔵容器。
5. 前記第一の吸着材層の容積比率が４５％乃至６０％であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の混合ガス貯蔵容器。
6. 前記樹脂系活性炭が、フェノール系樹脂活性炭であることを特徴とする請求項１乃至５に記載の混合ガス貯蔵容器。
   
   
   

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