JP5686989B2 - 自動車用液化天然ガスの製法 - Google Patents
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Description
本発明は、自動車用液化天然ガスの製法に関するものである。
現在、日本では、液化天然ガス（以下「ＬＮＧ」と略す）を、高度に精製して都市ガス等に利用することがなされている（特許文献１，２）。しかし、ＬＮＧを自動車、特に大型トラック等の燃料とすることは実現されていない。これは、トラックに搭載するＬＮＧタンク（以下「燃料タンク」ということがある）に対する法規制が厳しく、その法規制のもとではそのような規制をクリアするだけのＬＮＧタンクをつくって大型トラックに搭載することができないからである。しかしながら、このようなことが将来も続くならば、石油資源の枯渇から大型トラック輸送に重大な障害が起こる確率が高い。そのため、将来、上記ＬＮＧタンクも法規則をクリアするものが開発されることが予測される。
そこで、本発明者は、そのようなＬＮＧタンクに供給されるＬＮＧについて、それを燃料とする大型トラックを中心に研究を重ねた。この場合、ＬＮＧを大型トラックに搭載する燃料タンクに入れて輸送するとき、特にそのＬＮＧの主成分である、メタン以外のエタン，プロパン，ブタンのような、高炭化水素ガス（以下、単に「高炭化水素」ということがある）の液化物がその障害になる。
すなわち、上記液化物がメタンを主成分とするＬＮＧ中に、例えば８％程度存在すると、燃料タンク上部の気相からＬＮＧを取り出してエンジンに供給する場合には、上記高炭化水素の液化物がタンクの底部に滞留し、これが大きな障害となる。より詳しく述べると、トラックに搭載する燃料タンクは、エンジンに燃料を供給する必要上、１７ｋｇ／ｃｍ3 以上の圧力に加圧されており、この圧力下であれば、メタンは気化状態となってそのままトラックのエンジンに供給される。
しかしながら、エタン等の高炭化水素のものは、気化しにくく燃料タンクの底面に残留する。
そして、燃料タンクにＬＮＧを補給するたびに、その残留高炭化水素の液化物が蓄積し、次第に、燃料タンク内の実効容量（メタン蒸気を貯留する容量）が小さくなる。その結果、大型トラックは給油を繰り返すたびに、段々少量のメタンしか使用できないこととなり、走行距離が短くなるという大きな難点がある。
また、燃料タンクの下部の液相からＬＮＧを取り出してエンジンに供給する場合には、ＬＮＧ中において、比重の大きいエタン，プロパン等の高炭化水素の液化物（炭素数が多く燃焼エネルギーがメタンより大きい）が燃料タンクの下部に滞留していて、上部にいくに従って、その割合が低くなる関係上、取り出しの初期には、燃焼エネルギーの高いものがエンジンに供給され、次第に低くなる。すなわち、燃料タンクの上部と下部とではエネルギー密度が異なり、エンジンの燃料バランスが悪くなって、エンジンの効率が著しく低下するという難点がある。この悪現象は、燃料タンクの上部の気相からＬＮＧを取出す場合において、液相の高炭化水素量が多くなると、液相中の高炭化水素がガス化してメタンに帯同することによっても生じる。
また、このようなエタン等の高炭化水素の液化物は、一部がメタンガスに帯同してエンジンルームに入り、その燃焼室でメタンガスと同時に燃焼することとなる。しかしながら、エタン，プロパン等の高炭化水素は炭素数が多く、これがカーボン（スス）となって排気ガスに混入し、排気ガスの浄化触媒を悪化させたり、排気が黒煙になるという大きな難点が生じている。
このように、ＬＮＧを大型トラックの燃料として用いる場合には、給油のたびにＬＮＧ中の燃料有効成分（メタン）の量が少なくなって走行距離がしだいに短くなり、エンジン効率が悪くなったりするという大きな問題を生ずるうえ、このような高炭化水素によって排気ガスの浄化触媒の劣化や黒煙を生じ環境を悪化するという問題も生ずる。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、自動車の燃料として適正に使用することができる自動車用液化天然ガスを製造する方法の提供をその目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明は、原料液化天然ガス貯槽から導出した液化天然ガスを精留塔に導き、精留塔の精留作用によって液化天然ガス中に含有されるエタン，プロパンおよびブタンの少なくとも一つからなる高炭化水素を除去し、得られた精製液化天然ガスを製品液化天然ガス貯槽に貯留する液化天然ガスの製法であって、上記製品液化天然ガス中の高炭化水素濃度を、検出機で検出し、その高炭化水素の濃度のばらつきを、精留塔の精留条件の調節により制御し、下記（Ａ）の自動車用液化天然ガスを得ることを特徴とする自動車用液化天然ガスの製法を要旨とする。
（Ａ）メタンを９９ｍｏｌ％以上含有するとともに、エタン，プロパン，ブタンの少なくとも一つからなる高炭化水素を含有し、その高炭化水素の含有量が０．１１ｍｏｌ％以上１ｍｏｌ％（以下「％」と略す）未満に規定されている自動車用液化天然ガス。
（Ａ）メタンを９９ｍｏｌ％以上含有するとともに、エタン，プロパン，ブタンの少なくとも一つからなる高炭化水素を含有し、その高炭化水素の含有量が０．１１ｍｏｌ％以上１ｍｏｌ％（以下「％」と略す）未満に規定されている自動車用液化天然ガス。
〔発明に至る経緯〕
本発明者は、ＬＮＧの有する上記のような問題を解決すべく研究を重ねた。その結果、エタン，プロパン等の高炭化水素の量を極く少なくすることを目的として実験を重ねた。
本発明者は、ＬＮＧの有する上記のような問題を解決すべく研究を重ねた。その結果、エタン，プロパン等の高炭化水素の量を極く少なくすることを目的として実験を重ねた。
すなわち、上記のようなトラックの燃料タンク中におけるエタン等の高炭化水素の液化物の貯留は、そのような高炭化水素を少なくすればするほど生じないはずである。このような着想に基づいて試験を重ねた結果、ＬＮＧ中におけるエタン，プロパン等の高炭化水素の含有量を低減させ、メタンを９９％以上の高濃度にすると、ＬＮＧの給油ごとに、メタンの貯留容積（実効容積）が低減して、トラックの走行距離がしだいに短くなったり、エンジン効率が悪くなるという現象ならびに排気ガスの浄化触媒の劣化や黒煙を生じる現象は解消する。
ところが、このようにエタン，プロパン等の高炭化水素を零に近く、すなわち、メタン濃度が９９．９９％（４Ｎ）〜９９．９９９９％（６Ｎ）程度に精製したＬＮＧを用いて実験を行ったところ、そのような超高純度のＬＮＧでは、かえってエンジンに不調をきたすことがわかった。この原因を究明すべく、さらに一連の研究を重ねた結果、このようなエタン，プロパン等の高炭化水素の微量の存在によって、上記エンジンの不調を解決できることがわかった。すなわち、前記高炭化水素がメタンに帯同して、エンジンのピストン内において燃焼する際、エタン，プロパン等の高炭化水素から生ずる炭素（スス）がピストン等に対する潤滑作用等をするためか、超高純度のＬＮＧを使用した場合よりもエンジンの調子が、逆によくなることを見いだした。この場合、前記高炭化水素の量が微量であることから、トラック等の燃料タンク内において、その液化物の滞留による燃料タンク内の実効容積の減少ならびに排気ガスの触媒の劣化や黒煙の発生現象は生じない。
本発明の自動車用液化天然ガスの製法により得られた自動車用液化天然ガスは、メタン９９％以上含有するとともに、エタン，プロパン，ブタンの少なくとも一つからなる高炭化水素を０．０８％以上１％未満含有しているため、超高純度のＬＮＧを使用した場合よりもエンジンの調子をよくすることができる。
また、本発明の自動車用液化天然ガスの製法では、製品液化天然ガス中の高炭化水素濃度を、検出機で検出し、その高炭化水素の濃度のばらつきを、精留塔の精留条件の調節により、所定範囲内におさめることによって、上記自動車用液化天然ガスを得ることができる。
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
本発明では、自動車用ＬＮＧはつぎのようにして製造される。すなわち、原料ＬＮＧはその産地であるブルネー，バダック，アルン，西豪州等によってメタンの含有量が８９〜９１％程度と変動し、エタン，プロパン等の高炭化水素の含量も８〜９％と変動する。したがって、そのようなＬＮＧについて産地ごとにそのＬＮＧ中の各炭化水素の含量をチェック（検査）して、その値にもとづいて精留塔内の還流液量等を調節することにより、精留度合を制御するようにする。このため、図１に示すような精留装置を用いて精留を行う。
図１において１は原料ＬＮＧ貯槽、２はその供給パイプ、３は精留塔、３ａはその下部塔、３ｂは上部塔、３ｃは精留棚等からなる精留ブロック、４は加熱用のリボイラーであり、窒素ガス源５と、窒素ガスパイプ６によって連結している。７はパイプ６に設けられた窒素ガス流量調節弁である。８は窒素ガス放出パイプであり、リボイラー４と連結していて、加熱作用を終えた窒素ガスを大気中に放出するようになっている。９は高炭化水素含量の多い廃液（廃ＬＮＧ）を系外に放出する放出パイプ、１０はその放出量調節弁である。１１は精留塔３の上部塔３ｂ内の凝縮器、１２はそれに気化ＬＮＧを供給する供給パイプ、１３は上部塔３ｂ内に液体窒素を供給する液体窒素パイプ、１４は供給量の制御弁、１５は供給された液体窒素の気化物を系外に放出する放出パイプ、１６は熱交換器内で液化したＬＮＧを下部塔３ａに還流液として供給する還流液パイプ、１７は還流液量を調節する還流液調節弁、１８は凝縮器１１内で液化しなかった廃ガス（窒素ガス等）を系外に放出する放出パイプ、１９はその廃ガス量調節弁、２０は製品ＬＮＧ受け皿、２１は製品ＬＮＧ取り出しパイプ、２２はその製品流量調節弁、２３は製品ＬＮＧ貯槽、２４は製品ＬＮＧ中の高炭化水素含量を検出する炭化水素分析計で、コンピュータを内蔵しており、製品ＬＮＧ中の高炭化水素の含量により、還流液調節弁１７の開度を調節し、製品ＬＮＧ中の高炭化水素の含量を調節する。２５ａはその制御ラインである。なお、上記炭化水素分析計２４は、制御ライン２５ｂで示すように、窒素ガス流量調節弁７の開度調節により、製品ＬＮＧ中の高炭化水素の含量を調節することもできる。また、弁７，１７の双方を同時に制御して上記高炭化水素の含量を速やかに調節することもできる。
また、１点鎖線２６は精留塔３を収容するコールドボックス（断熱タンク）である。そして、この精留装置の熱バランスは、液体窒素パイプ１３より、供給される液体窒素の冷熱により保たれる。
この精留装置において、原料ＬＮＧの精留はつぎのようにして行われる。すなわち、原料ＬＮＧを精留塔３の下部塔３ａに供給する。下部塔３ａに供給された原料ＬＮＧは底部に溜まり、リボイラー４で加熱され、そのうちの低沸点成分であるメタンを中心にガス化して精留塔３の下部塔３ａ内を上昇する。このガスは、精留ブロック３ｃにおいて、製品ＬＮＧ受け皿２０から溢流して流下する製品ＬＮＧ（還流液となる）と交流接触しガス中の高沸点成分である高炭化水素が液化して除去されメタンリッチガスとなる。このガスは、供給パイプ１２を通って、凝縮器１１内に入り、ここで、周囲の液体窒素により冷却され、液化し、還流液パイプ１６を通って製品ＬＮＧとして受け皿２０上に溜まる。凝縮器１１中において、液化しない成分（例えば窒素ガス）は、先に述べたように、廃ガスとして放出パイプ１８から系外に放出される。
この装置において、特徴的なのは、還流液パイプ１６に還流液調節弁１７を設け、炭化水素分析計２４によって検出された、製品ＬＮＧ中の高炭化水素の濃度により、弁１７の開度を調節して製品ＬＮＧ中の高炭化水素量を所定値に制御することである。すなわち、原料ＬＮＧの供給量は略一定であるので、製品ＬＮＧ中の高炭化水素量が多い時には、弁１７の開度を大にして還流液量を多くして、高炭化水素の液化除去量を多くする。少ないときには、その逆をする。また、上記弁１７の開度の調節に代えて、リボイラー４に供給する窒素ガスパイプ６の窒素ガス流量調節弁７の開度を炭化水素分析計２４によって制御してもよい。すなわち、製品ＬＮＧ中の高炭化水素量が多い時には、弁１７の開度を小さくして原料ＬＮＧのガス化量を少なくし、それを還流液と充分接触させ、気化ガス中の高炭化水素の液化除去量を多くする。少ない時には、その逆をする。なお、製品ＬＮＧ中の高炭化水素濃度が、かなり高いときには、還流液調節弁１７と窒素ガス流量調節弁７の制御を同時に行い速やかに対応するようにしてもよい。
このようにして、製品ＬＮＧ中の高炭化水素の濃度を一定範囲に制御する。
上記のように、原料ＬＮＧの精留を精密に行うのはつぎの理由による。すなわち、原料ＬＮＧは船舶等によって運ばれて港湾等に設けられた原料ＬＮＧタンクに貯留され、その原料ＬＮＧタンクに貯留された原料ＬＮＧが本発明で用いる精留塔の原料となる。
ところが、原料ＬＮＧタンク内において、ＬＮＧを長期間保存すると、沸点の低い成分が揮発して組成が変化するウエザリング現象が生じる。このようなウエザリング現象が生ずるとＬＮＧの組成が変化することから、そのまま精留塔で精留すると、本発明の目的とする、メタン９９％以上であって、しかもエタン，プロパン，ブタン等の高炭化水素が０．０８％以上１％未満になるよう設定することができない。特に、精製度が進んでしまうと、前記高炭化水素が精製によって除去され、得られた製品ＬＮＧには、メタンが４Ｎ（９９．９９％）ないし６Ｎ（９９．９９９９％）等の高純度なものとなってしまい、本発明の求める製品ＬＮＧとはならないからである。
したがって、本発明に用いる装置では、ウエザリング現象による、原料ＬＮＧの組成変化に対応するため、好ましくは、常時ないしは一定間隔ごとに炭化水素分析計２４で、製品ＬＮＧ中の各炭化水素の成分を検出し、製品ＬＮＧ中におけるメタンおよびその他の高炭化水素の含量が本発明の範囲内になるよう制御し、本発明の目的とする製品ＬＮＧを得るようにしている。
つぎに、本発明で得られた製品ＬＮＧを用いた実施例について比較例と併せて説明する。
〔ベンチテスト〕
図２に示すように、エンジンＡをベンチ（図示せず）に固定し、下記の表１に示すような組成の異なるＬＮＧを燃料として、回転速度２０００ｒｐｍで１０分間、エンジンＡを作動させた。
図２に示すように、エンジンＡをベンチ（図示せず）に固定し、下記の表１に示すような組成の異なるＬＮＧを燃料として、回転速度２０００ｒｐｍで１０分間、エンジンＡを作動させた。
〔冷却水の温度〕
上記ベンチテストにおいて、エンジンを作動させる前後でエンジン内の冷却水の温度を測定した。その結果を下記の表１に記載した。
上記ベンチテストにおいて、エンジンを作動させる前後でエンジン内の冷却水の温度を測定した。その結果を下記の表１に記載した。
〔排気ガスの状態〕
上記ベンチテストにおいて、エンジンからの排気ガスを目視にて観察した。その結果、排気ガスが白色透明なものを○、黒色を帯びているものを×と評価し、下記の表１に併せて記載した。
上記ベンチテストにおいて、エンジンからの排気ガスを目視にて観察した。その結果、排気ガスが白色透明なものを○、黒色を帯びているものを×と評価し、下記の表１に併せて記載した。
上記表１の結果より、実施例１〜３は、比較例１，２と比較して、水温の上昇温度が低いことから、エンジンのピストン運動の円滑性に優れていることがわかる。また、排気ガスの状態から、実施例１〜３は、比較例１に比べて、排気ガスもきれいである。このように、実施例１〜３は、総合的に比較例１，２より優れていることがわかる。
本発明の自動車用液化天然ガスの製法により得られた自動車用液化天然ガスは、自動車の燃料として適正に使用することができる。
３ 精留塔
２４ 炭化水素分析計
２４ 炭化水素分析計
Claims (1)
- 原料液化天然ガス貯槽から導出した液化天然ガスを精留塔に導き、精留塔の精留作用によって液化天然ガス中に含有されるエタン，プロパンおよびブタンの少なくとも一つからなる高炭化水素を除去し、得られた精製液化天然ガスを製品液化天然ガス貯槽に貯留する液化天然ガスの製法であって、上記製品液化天然ガス中の高炭化水素濃度を、検出機で検出し、その高炭化水素の濃度のばらつきを、精留塔の精留条件の調節により制御し、下記（Ａ）の自動車用液化天然ガスを得ることを特徴とする自動車用液化天然ガスの製法。
（Ａ）メタンを９９ｍｏｌ％以上含有するとともに、エタン，プロパン，ブタンの少なくとも一つからなる高炭化水素を含有し、その高炭化水素の含有量が０．１１ｍｏｌ％以上１ｍｏｌ％未満に規定されている自動車用液化天然ガス。
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