JP5001031B2 - 混合ガス供給装置及び混合ガス供給装置における組成変動調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、混合ガス供給装置及びその組成変動調整方法に係り、特に、都市ガス等、燃料ガスの発熱量安定化に好適な混合ガス供給装置及びその組成変動調整方法に関する。

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）。
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材充填塔を設けて、発熱量を抑制する技術が提案されている（例えば特許文献２）。図１６は、このような吸着材充填塔を用いた従来の発熱量調整装置１００を示す。従来の発熱量調整装置１００は、ＬＮＧ貯槽１０１、外気を加熱源とする気化器１０２、吸着材充填塔１０３を主要構成とする。吸着材充填塔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、タンクローリ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、さらに吸着材充填塔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を抑制する。

特開平７−１０９４７６号公報 特開２００５-２７３７５３号公報

しかしながら、従来の吸着材による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、充填塔の単位体積当たりガス処理量が制限される。従って、都市ガス供給のような高度の発熱量安定化が必要とされる場合には、吸着材充填量を増やすことが必要となり、充填塔容積の大型化、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。

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、吸着材を用いた混合ガス供給装置において、充填塔の吸着材充填量を増やすことなく、組成変動を一定範囲に抑えてガス供給を可能とする混合ガス供給装置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、

（１）ガス組成が経時的に変動する混合ガスを供給する供給ラインと、供給ライン経路中に複数の分岐配管を備えた並列配管部と、一以上の分岐配管経路中に設けた吸着材充填塔と、一部の分岐配管を通過する混合ガスの組成変動の位相を、他の分岐配管の組成変動の位相に対して変化させる位相差調整手段と、を備えて成ることを特徴とする混合ガス供給装置である。
本来、吸着材の充填量によりガス組成変動幅の抑制量は定まるが、本発明により各充填塔出口におけるガス組成変動に位相差を生じさせることにより、その限度を超えた変動幅抑制が可能となる。
本発明において、「組成変動」は周期的な変動に限定されず、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。また「位相」とは、周期的あるいは非周期的な組成変動が起きたときに、下流側にその結果が現れるまでの時間及びタイミングを意味する概念である。さらに「位相差」とは、位相のずれを意味する概念である。
本発明において、「混合ガス」は、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を含む概念である。
また、本発明に用いる「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、並列配管部に、各分岐配管を通過する混合ガスの流量比を調整する手段を加えた装置とすることもできる。
（３，４）上記各発明において、「位相差調整手段」として、充填される吸着材の材料の相違、（５）又は各充填塔のアスペクト比の相違とすることができる。
充填容器のアスペクト比（容器長／内径）を異ならしめることによって、位相差を生じさせることができる。アスペクト比が大きい充填容器では、流入ガスの吐出が遅れるため変動周期が遅れる。逆に、アスペクト比が小さい充填容器では、変動周期の遅れは小さくなる。
（６）さらに、「位相差調整手段」として、各充填塔に充填される吸着材の形状の相違とすることもできる。
例えば、吸着材の粒径が小さくなれば容器中のガスの拡散が遅れて位相が遅れ、粒径が大きくなれば位相遅れは小さくなる。

（７）「位相差調整手段」として、並列配管部の配管延長の相違とすることもでき、
（８）さらに、配管延長を任意に調整可能とすることもできる。
例えば、充填塔の下流側配管の延長を長くすることで、当該充填塔を通過する混合ガスの位相に遅れを生じさせることができる。
（９）さらに、上記「位相差調整手段」を２以上組み合わせた装置とすることもできる。
２以上組み合わせることにより、位相差を調整する上で相乗的効果が期待できる。
（１０）上記各発明において、「混合ガス」として燃料ガスを用いることができ、
（１１）また、メタンを主成分とする都市ガスとすることができる。

（１２）上記（１０）又は（１１）に記載の混合ガス供給装置を備え、さらに前記並列配管部通過後の燃料ガス又は都市ガスの発熱量を所定の範囲内に調整可能に構成したことを特徴とする発熱量調整装置である。
燃料ガスに組成変動が生じると、これに伴い発熱量も変動する。本発明は、燃料ガスの組成変動に伴う発熱量変動を抑制するため、上記混合ガス供給装置を用いて発熱量調整を行うものである。
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１４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Ｈ（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＝Ｈ／√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、次式で表される。

（１３）上記（１）乃至（１１）に記載の混合ガス供給装置において、各分岐配管を通過する混合ガスの組成変動サイクルの周期が同一のときに、一部の分岐配管を通過する混合ガスの組成変動サイクルの位相を、他の分岐配管の位相に対してπラジアン遅らせるように調整することを特徴とする混合ガス供給装置における組成変動調整方法である。
並列配管部の下流側合流部における組成変動の波形は、各分岐配管を通過する混合ガスの組成変動波形を合成したものとなる。この場合、その組成変動周期が同一であるときは、位相差がπラジアンのときに変動幅は最小になる。従って、そのように調整することにより、組成変動の抑制を効果的に行うことができる。

（１４）上記（１０）又は（１１）に記載の混合ガス供給装置において、ガス組成が経時的に変化する燃料ガス又は都市ガスの発熱量を所定の範囲内に調整するように、前記位相差又は流量比の一方又は両方を制御することを特徴とする混合ガス供給装置における発熱量調整方法である。

本発明により、充填塔の吸着材充填量を増やすことなく、組成変動を一定範囲に抑えてガス供給を可能とする混合ガス供給装置が可能となる。
また、混合ガスとして燃料ガスを用いる発明にあっては、供給元から発熱量変動を伴うガスが供給された場合であっても、発熱量変動を一定範囲に抑制して需要家に供給することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至１５を参照してさらに詳細に説明する。なお、重複記載を回避するため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。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。
（第一の実施形態）
本実施形態は、「混合ガス」として組成が経時的に変動する燃料ガス（ＬＮＧ原料）を用い、かつ「位相差調整手段」として配管延長の相違を用いることにより、組成変動（発熱量変動）の抑制を図るものである。
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、気化器３と、分岐配管Ｌ３、Ｌ４の経路中に並列に設けられた２塔の吸着材充填塔２ａ、２ｂと、供給ライン末端側に負荷装置５（例えばガスエンジン）を備えている。ＬＮＧ貯槽４には、不図示のタンクローリ等により運ばれるＬＮＧが貯蔵されている。これら装置間は配管Ｌ１乃至Ｌ５により接続されている。２基の充填塔内には同一吸着材（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。分岐配管Ｌ３、Ｌ４の充填塔上流側には、それぞれ流量調節バルブＶ１、Ｖ２が配設されている。配管Ｌ５経路中には熱量計７が配設されている。分岐配管Ｌ３の充填塔下流側配管Ｌ３ａの配管延長Ｓ１は、配管Ｌ４ａの配管延長Ｓ２と比較して長く形成されている。さらに配管Ｌ３ａ途中には複数の流出口１０が設けられており、これにより配管延長Ｓ１を可変とするように構成されている。
燃料ガス供給装置１は制御部８を備えており、熱量計７の計測値に基づいて流量調節バルブＶ１、Ｖ２の開度及び／又は配管Ｌ３ａ配管延長Ｓ１を適宜調整して、負荷装置５に供給する燃料ガスの発熱量変動値を調整できるように構成されている。

以上の構成により、燃料ガス供給装置１はＬＮＧ貯槽４内のＬＮＧを気化器３で気化して天然ガスとし、吸着材充填塔２ａ、２ｂを通過させた後に供給ラインＬ５を経由して負荷装置５に供給する。この場合、まず各充填塔内吸着材の作用により発熱量の抑制が行われる。さらに、分岐配管延長の相違による発熱量変動位相のずれにより、さらなる発熱量抑制が行われるが、上述のように流量比と配管延長Ｓ１を適当に設定することにより、発熱量変動最小とすることができる。なお、配管の長さと位相のずれの関係は、以下の式で表すことができる。

なお、本実施形態では、分岐配管Ｌ３ａの配管延長及び流量比を適宜選択する構成としたが、予め発熱量変動が最小となるような配管延長、流量比を知り、その値に固定しておく形態とすることもできる。
また、両分岐配管経路中に吸着材充填塔を配置する形態としたが、一方の分岐配管のみ充填塔を配置して、他方の分岐配管には充填塔を配置せず配管延長を長くする形態としてもよい。また、この配管延長の長さを可変としてもよい。
また、２基の吸着材充填塔を並列に配置する形態を示したが、３基以上の充填塔を並列に配置し、それぞれの配管延長、流量比を可変とする形態としてもよい。
また、２つの充填塔に同一吸着材を充填する形態としたが、異なる吸着材を充填する形態としてもよい。また、同一吸着材で異なる形状のものを用いる形態とすることもできる。

（第二の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図２は、本実施形態に係る燃料ガス供給装置２０の全体構成を示す図である。燃料ガス供給装置２０が上述の燃料ガス供給装置１と異なる点は、２つの充填塔２１ａ、２１ｂのアスペクト比（容器長／内径）が異なることである。すなわち、充填塔２１ａのアスペクト比ＡＲ１＝Ｘ１／Ｄ１であるのに対して、充填塔２１ｂのアスペクト比ＡＲ２＝Ｘ２／Ｄ２とし、さらにＡＲ１＞ＡＲ２となるように構成されている。また、延長配管部及び流量調節バルブＶ１、Ｖ２を備えていない点が異なる。その他の構成は燃料ガス供給装置１と同一であるので、重複説明を省略する。
燃料ガス供給装置２０においては、アスペクト比の大きい充填塔２１ａ側に流入したガスの吐出が遅れるため、充填塔２１ｂ側と比べて発熱量変動の位相が遅れる。これにより同一アスペクト比の充填塔を有する同種の燃料供給装置と比較して、発熱量変動幅を小さくすることが可能となる。
なお、本実施形態においても延長配管部及び流量調節バルブＶ１、Ｖ２を備えた形態として、さらなる発熱量変動幅の調整を行うことも可能である。

（第三の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。図３は、本実施形態に係る燃料ガス供給装置３０の全体構成を示す図である。燃料ガス供給装置３０が上述の燃料ガス供給装置１０と異なる点は、分岐配管Ｌ９、Ｌ１０のいずれの経路中にも充填塔を有さず、位相差調整手段として分岐配管Ｌ９の配管延長をＬ１０に対して長くしていることである。その他の構成は燃料ガス供給装置１と同一である。
以上の構成により、熱量計７の計測値に基づいて流量比を調整して、合流点Ｐ１における分岐配管Ｌ９側の変動周期の位相をπラジアン遅らせることにより、発熱量変動幅を小さくすることが可能となる。
なお、本実施形態においても、分岐配管Ｌ９の配管延長及び流量比を位相がπラジアン遅らせるような値に固定しておく形態とすることもできる。

本発明による発熱量抑制効果を確認するため、以下の試験を行った。
（供試吸着材）
石炭原料活性炭及びヤシガラ原料活性炭の２種類の吸着材を用いた（以下、石炭原料活性炭を活性炭Ａ、ヤシガラ原料活性炭を活性炭Ｂと略称することがある）。活性炭Ａ，Ｂの物性を表１に、細孔径分布（窒素吸着ＤＦＴ法による）を図４（ａ）に示す。また、活性炭Ａ、Ｂのメタン、プロパンに対する圧力−吸着量特性を図４（ｂ）に示す。

（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（プロパン：ブタン＝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４４．８ＭＪ/ｍ３、最大５０．８ＭＪ/ｍ３であり、ΔＨ＝２．８５ＭＪ/ｍ３であった。ここにΔＨは、ΔＨ＝（Ｈｍax−Ｈmin）／２、すなわち発熱量最大値Ｈｍaxと最小値Ｈminの差の１/２であり、発熱量変動幅比較の指標となる数値である。

（試験装置）
並列に配置した２個の充填容器（内容積合計３０ｃｃ）に、吸着材を充填した試験装置を用いた。この場合、第一の実施形態に準じて、一方の充填容器（容器１）の下流側の配管延長を他方の充填容器（容器２）のそれより長くして、発熱量変動サイクルに所定の位相差が生じるようにした。容器出口における発熱量変動周期は、容器１、容器２ともに１周期（２πラジアン）＝１８０ｓｅｃで同一であった。参考のため、位相差のラジアン表示と時間表示の対応を表２に示す。

（試験方法）
各充填容器に表３のNo.１〜No.３の組み合わせで吸着材を充填し、容器２個全体として空塔速度２０００ｈ^−１、温度２５℃の流入条件で試験ガスを流して、装置出口におけるガスの発熱量を熱量計（Ａｄｖａｎｔｉｃａ社製、製品名：ＧａｓＰＴ）で測定した。測定は、位相差をパラメータとして流量比変化と発熱量変動の関係を調べた。

（測定結果）
図５に、No.１条件における各位相差での発熱量変動の流量比依存性結果を示す。同図において縦軸ΔＨは、ΔＨ＝（Ｈｍax−Ｈmin）／２、すなわち発熱量最大値Ｈｍaxと最小値Ｈminの差の１/２であり、発熱量変動幅比較の指標である。ここに、横軸においてＦ１、Ｆ２はそれぞれ容器１、容器２の流量であり、Ｆ１／（Ｆ１＋Ｆ２）は全体流量に対する容器１の比率である。なお、従来技術の容器１個を用いる場合（図１６参照）は、Ｆ１＝１、Ｆ２＝０であるから、ΔＨは図５において横軸Ｆ１／（Ｆ１＋Ｆ２）＝１における値となる。

同図より、この材料では流量比５０：５０、かつ位相差π（９０秒）のときに変動抑制効果最大となるが、他の流量比、位相差条件のときも、容器なし又は容器1個の条件と比較して抑制効果が高いことが分かる。
図６は、流量比５０：５０、位相差π（９０秒）のときの発熱量変動時間推移を示す図である。
図７、８は、No.２条件における同上測定結果である。また、図９、１０はNo.３条件における同上測定結果である。

（試験装置）
図１５に示すように、並列配管部の一方の分岐配管のみ吸着材充填容器３（内容積３０ｃｃ）を配置し、他方は容器を配置せずバイパス配管のみとする試験装置を用いた。そして、充填容器側の配管延長部をバイパス配管側より長くして、発熱量変動に所定の位相差が生じるようにした。例えば位相遅れは、配管内径４．３５ｍｍ、配管延長２０．１ｍのときにπ／５ラジアン（１８秒長さ）となる。
（試験方法）
表３のNo.４、５の条件により、容器３に吸着材を充填し、実施例１と同様の測定を行った。
（測定結果）
図１１は、No.４（活性炭Ａ）条件における各位相差での発熱量変動の流量比依存性測定結果を示す図である。また、図１２は（１）流量比＝８１：１９、位相差０、及び（２）流量比＝８１：１９、位相差π／５（１８秒）のときの発熱量変動時間推移データを示す図である。
（１）におけるΔＨ＝０．５８（ＭＪ／ｍ３）、（２）におけるΔＨ＝０．４２であり、容器１個で配管延長なしのときの値、ΔＨ＝０．７３（実施例１参照）と比較して発熱量変動抑制効果が高いことが分かる。

図１３は、No.５（活性炭Ｂ）条件における各位相差での発熱量変動の流量比依存性測定結果を示す図である。また、図１４は（１）流量比＝９３：７、位相差０、及び（２）流量比＝８３：１７、位相差π／４（２２秒）のときの発熱量変動時間推移データを示す図である。活性炭Ｂ（ヤシガラ原料活性炭）の場合も、活性炭Ａ（石炭原料活性炭）と同様の発熱量変動抑制特性を示すことが分かる。
以上、No.１〜No.５のいずれの条件においても、本発明による発熱量変動抑制効果が実証された。

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、組成変動する複数のガス成分からなる混合ガスの組成抑制に広く利用可能である。

第一の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。 第二の実施形態に係る燃料ガス供給装置２０の構成を示す図である。 第三の実施形態に係る燃料ガス供給装置３０の構成を示す図である。 供試吸着材である活性炭Ａ、Ｂの細孔径分布を示す図である。 活性炭Ａ、Ｂのメタン、プロパンに対する圧力−吸着量特性を示す図である。 No.１条件における発熱量変動の流量依存性結果を示す。 No.１条件における流量比５０：５０、位相差π（９０秒）のときの発熱量変動時間推移を示す図である。 No.２条件における発熱量変動の流量依存性結果を示す図である。 No.２条件における流量比５０：５０、位相差π（９０秒）のときの発熱量変動時間推移を示す図である。 No.３条件における発熱量変動の流量依存性結果を示す図である。 No.３条件における流量比５０：５０、位相差π（９０秒）のときの発熱量変動時間推移を示す図である。 No.４条件における発熱量変動の流量依存性結果を示す図である。 No.４条件における（１）流量比＝８１：１９、位相差０、及び（２）流量比＝８１：１９、位相差π／５（１８秒）のときの発熱量変動時間推移を示す図である。 No.５条件における発熱量変動の流量依存性結果を示す図である。 No.５条件における（１）流量比＝９３：７、位相差０、及び（２）流量比＝８３：１７、位相差π／４（２２秒）のときの発熱量変動時間推移を示す図である。 実施例２の試験装置を示す図である。 従来の発熱量調整装置１００の構成を示す図である。

符号の説明

１、２０、３０・・・・燃料ガス供給装置
２ａ、２ｂ、２１ａ、２１ｂ・・・・吸着材充填塔
３・・・・気化器
４・・・・ＬＮＧ貯槽
５・・・・負荷装置
７・・・・熱量計
Ｌ１〜Ｌ１０・・・・供給ライン
Ｖ１、Ｖ２・・・・流量調節バルブ

Claims (13)

1. ガス組成が経時的に変動する混合ガスを供給する供給ラインと、
   供給ライン経路中に複数の分岐配管を備えた並列配管部と、
   一以上の分岐配管経路中に設けた吸着材充填塔と、
   一部の分岐配管を通過する混合ガスの組成変動の位相を、他の分岐配管の組成変動の位相に対して変化させる位相差調整手段と、を備え、
   該位相差調整手段が、前記充填塔に充填される吸着材の材料の相違を含んで成る、
   ことを特徴とする混合ガス供給装置。
2. 前記吸着材が、石炭原料活性炭とヤシガラ原料活性炭とを含むことを特徴とする請求項１に記載の混合ガス供給装置。
3. 前記位相差調整手段が、各充填塔のアスペクト比の相違を含んで成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の混合ガス供給装置。
4. 前記位相差調整手段が、各充填塔に充填される吸着材の形状の相違を含んで成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の混合ガス供給装置。
5. 前記並列配管部は、各分岐配管を通過する混合ガスの流量比を調整する手段を、さらに備えて成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の混合ガス供給装置。
6. 前記位相差調整手段が、並列配管部の配管延長の相違を含んで成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の混合ガス供給装置。
7. 一部の分岐配管の配管延長を任意に調整可能とする手段を、さらに備えて成ることを特徴とする請求項６に記載の混合ガス供給装置。
8. 請求項１、３、４、６のいずれか１項に記載の前記位相差調整手段を二以上組み合わせた位相差調整手段を備えて成ることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の混合ガス供給装置。
9. 前記混合ガスが、燃料ガスであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の混合ガス供給装置。
10. 前記燃料ガスが、メタンを主成分とする都市ガスであることを特徴とする請求項９に記載の混合ガス供給装置。
11. 請求項９又は１０に記載の混合ガス供給装置を備え、さらに前記並列配管部通過後の燃料ガス又は都市ガスの発熱量を所定の範囲内に調整可能に構成したことを特徴とする発熱量調整装置。
12. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の混合ガス供給装置において、各分岐配管を通過する混合ガスの組成変動サイクルの周期が同一のときに、
    一部の分岐配管を通過する混合ガスの組成変動サイクルの位相を、他の分岐配管の位相に対してπラジアン遅らせるように調整することを特徴とする混合ガス供給装置における組成変動調整方法。
13. 請求項９又は１０に記載の混合ガス供給装置において、
    ガス組成が経時的に変化する燃料ガス又は都市ガスの発熱量を所定の範囲内に調整するように、前記位相差又は流量比の一方又は両方を制御することを特徴とする混合ガス供給装置における発熱量調整方法。
    

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