JP6258577B2

JP6258577B2 - 混合ガスの精製方法及び精製装置

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Publication number: JP6258577B2
Application number: JP2012222246A
Authority: JP
Inventors: 統一郎佐々木; 琢磨太田
Original assignee: Metawater Co Ltd
Current assignee: Metawater Co Ltd
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2032-10-04
Also published as: JP2014073461A

Description

本発明は、混合ガスの精製方法及び精製装置に関し、特に、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）を用いた混合ガスの精製方法及び精製装置に関するものである。

近年、下水汚泥や食品廃棄物等の有機性廃棄物をメタン発酵処理して得られるメタン発酵ガスが、カーボンニュートラルで環境負荷の低い次世代燃料として着目されている。メタン発酵ガスは、特に、バイオガスとも称され、主成分は二酸化炭素（ＣＯ_２）及びメタン（ＣＨ_４）である。そして、バイオガスは、通常、精製により所望の濃度のメタンを含む精製ガスにしてから、都市ガス原料や自動車燃料等として使用される。

ここで、従来、メタン発酵ガスのような、目的ガス（メタンガス）と不純物ガス（炭酸ガス）とを含む混合ガスの精製方法として、圧力スイング吸着法を用いた精製方法が用いられている。圧力スイング吸着法とは、吸着剤に対するガスの吸着量がガス種及びガスの分圧によって異なることを利用したガス分離方法である。そして、圧力スイング吸着法を用いた混合ガスの精製では、吸着剤を充填した吸着塔に、混合ガスを加圧下で供給して目的ガスが富化された精製ガスを得る吸着工程と、吸着剤に吸着されたガスを減圧下で脱着させて吸着剤を再生する脱着工程とを交互に繰り返して実施する。

ところで、バイオガスは、一般的に、下水汚泥や食品廃棄物等の有機性廃棄物を微生物によりメタン発酵処理して得られるものであり、有機性廃棄物の性状の変動や、季節変化に伴うメタン発酵処理温度の変動などの影響を受け、発生量や組成が変動する。
一方、バイオガスの精製に用いられる吸着塔に充填された吸着剤で吸着可能な二酸化炭素の量は吸着剤の飽和吸着量及び充填量に応じて定まる。従って、バイオガス精製プラントでは、吸着塔に流入する二酸化炭素の量が所定量に達すると、精製ガス中の二酸化炭素濃度が増加し（即ち、メタンガス濃度が所望の濃度未満となり）、一定品質の精製ガスを得ることができなくなる。
そのため、バイオガス精製プラントでは、ＣＯ_２濃度が所定値未満である、一定品質の精製ガスを得るために、吸着塔における吸着工程の実施時間等を適宜制御する必要がある。
しかし、上記の通りバイオガスの発生量や組成は経時的に変動するため、吸着工程の実施時間を一定の時間としてバイオガス精製プラントを運転することはできない。

そこで、従来、精製対象のガス（混合ガス）の組成や流量が変動しても容易に追従することができ、一定品質の精製ガスを連続的に得ることのできる混合ガスの分離方法が提案されてきた（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の分離方法によれば、吸着剤を充填した吸着塔から流出した精製ガス中に含まれている少なくとも１種類のガスの濃度をガス濃度検出器により検出し、予め設定された濃度のガスが検出されると吸着工程を終了させる。このようにして、特許文献１に記載の方法によれば、精製ガス中の特定のガスの濃度に基づいて吸着工程の時間を調節することにより、精製対象のガスの組成や流量が変動しても容易に追従することができ、一定品質の精製ガスを連続的に得ることが可能となる。

特開２００３−１９４１５号公報

ここで、特許文献１記載の方法では、吸着塔から流出した精製ガス中の少なくとも１種類のガス（例えば、炭酸ガス）の濃度をガス濃度検出器により検出していた。しかし、ガス濃度検出器は、それ自体が比較的高価であり、経済性に欠く。また、吸着塔から流出した精製ガス中のガス濃度と、吸着塔内の精製ガス中のガス濃度とは必ずしも同一ではないため、吸着塔から流出した精製ガス中のＣＯ_２濃度を利用して吸着工程を終了したのでは、より高濃度の炭酸ガスが既に吸着塔から流出しているおそれがあった。すなわち、特許文献１記載の方法には、吸着塔からの精製ガスの流出からガス濃度を測定するまでのタイムラグにより、吸着工程の実施時間制御を適切に行うことができず、一定品質の精製ガスを安定的に供給できないおそれがあった。さらには、ガス濃度検出器は定期的な較正を必要としており、操業に手間がかかり非効率的であるという点において改善の余地があった。

そこで、本発明は、一定品質の精製ガスを安定的に得ることができる経済的かつ効率的な混合ガスの精製方法及び精製装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行い、吸着剤がガス（被吸着物質）を吸着及び脱着した場合に吸着剤自体の温度が変動することに着目して、この発明を完成した。

この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の混合ガスの精製方法は、吸着剤が充填された少なくとも２つの吸着塔を備える精製装置を使用し、目的ガスと不純物ガスとを含む混合ガスを圧力スイング吸着法により精製して目的ガスが富化された精製ガスを得る混合ガスの精製方法であって、前記少なくとも２つの吸着塔は、それぞれ、前記吸着剤の温度を測定する少なくとも２つの温度測定センサを有し、前記少なくとも２つの吸着塔は、それぞれ、前記混合ガスを導入して前記吸着剤に前記不純物ガスを吸着させ、前記精製ガスを排出する吸着工程と、前記吸着工程において前記吸着剤に吸着された前記不純物ガスを減圧下で脱着させ、脱着した前記不純物ガスを排出し前記吸着剤を再生する脱着工程と、を実施し、前記精製装置では、前記吸着工程の開始後に、前記少なくとも２つの温度測定センサのうち最も前記精製ガスの排出側に配置された温度測定センサにより検出された前記吸着剤の温度変化に基づいて、前記吸着工程を停止して、前記精製装置で得られる前記精製ガス中における前記不純物ガスの濃度が所望の濃度未満となるようにするとともに、前記脱着工程の開始後に、前記少なくとも２つの温度測定センサのうち最も前記脱着したガスの排出側に配置された温度測定センサにより前記吸着剤の温度下降の停止が検出されたことに基づいて、前記脱着工程を停止し、前記少なくとも２つの吸着塔のうちの少なくとも１つが前記吸着工程を実施している間に他の少なくとも１つの吸着塔にて前記脱着工程を実施して脱着ガスを得て、該脱着ガスを、前記吸着工程を実施している吸着塔に対して供給することを特徴とする。
このように、最も精製ガスが排出される側に配置された温度測定センサにより検出された温度変化に基づいて吸着工程の持続時間を決定することで、精製ガスの濃度を所望以上に安定的に維持することができる。吸着工程中に吸着塔の精製ガスが排出される側に充填された吸着剤の温度が変化したということは、精製ガスの排出側に位置する吸着剤がガスを吸着したことを意味する。このことは、吸着塔における吸着量が飽和吸着量に近づいていることを意味する。したがって、精製ガスにおける目的ガスの濃度を所望の濃度以上として、精製ガスの品質を一定以上に維持するためには、吸着工程を停止して脱着工程を開始する必要がある。よって、吸着塔の精製ガスが排出される側における吸着剤の温度変化に基づいて吸着工程の持続時間を決定することで、タイムラグ無く吸着工程の実施時間を制御して、安定的に一定品質の精製ガスを得ることが可能となる。
なお、本発明において、「所望の濃度」とは、精製ガスの用途に応じて予め定められる濃度である。
また、脱着工程中に吸着剤の温度が低下したということは、吸着剤から不純物ガスが脱着されたことを意味する。従って、吸着剤から脱着された不純物ガスが排出される側において吸着剤の温度の下降が停止したということは、吸着塔内の吸着剤に吸着した不純物ガスの大部分が脱着したということを意味するため、このタイミングで脱着工程を停止することで、脱着工程の持続時間を必要十分な長さとすることができる。

ここで、本発明の混合ガスの精製方法では、最も前記精製ガスの排出口側に配置された温度センサにより前記吸着剤の温度上昇が検出されたことに基づいて、前記吸着工程を停止することが好ましい。吸着塔の精製ガスが排出される側に充填された吸着剤の温度が上昇した場合には、吸着塔の精製ガスが排出される側において、吸着剤に不純物ガスが吸着したことを意味する。そのため、吸着塔の精製ガスが排出される側において吸着剤に不純物ガスが吸着され始めたタイミングで吸着工程を停止することで、目的ガスの濃度を確実に所望の濃度以上に維持することができるからである。

また、本発明の混合ガスの精製方法では、前記目的ガスはメタンガスであり、前記不純物ガスは炭酸ガスであり、前記混合ガスは、メタン発酵ガスであることが好ましい。メタン発酵ガスの発生量や組成は、有機性廃棄物の性状の変動や、季節変化に伴うメタン発酵処理温度の変動などの影響を受けて変動するが、本発明による混合ガスの精製方法によれば、そのような変動に対して容易に追従して一定品質のガスを安定的に得ることができる。

また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の混合ガスの精製装置は、目的ガスと不純物ガスとを含む混合ガスを圧力スイング吸着法により精製して目的ガスが富化された精製ガスを得る混合ガスの精製装置であって、不純物ガスを吸着する吸着剤が充填され、且つ、該吸着剤の温度を測定する少なくとも２つの温度測定センサと、少なくとも２つの吸排気口とをそれぞれ有する、少なくとも２つの吸着塔と、前記少なくとも２つの吸着塔の各第１吸排気口を介して前記吸着塔に前記混合ガスを供給する混合ガス供給機構と、前記吸着剤に吸着された不純物ガスを減圧下で脱着させ、脱着した前記不純物ガスを前記吸排気口のうちの少なくとも一つから排出させる不純物ガス脱着機構と、前記混合ガス供給機構及び前記不純物ガス脱着機構を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記混合ガス供給機構の動作中に前記少なくとも２つの温度測定センサのうち前記精製ガスが流出する吸排気口の最も近くに配置された温度測定センサにより前記吸着剤の温度変化を検出したこと基づいて、前記混合ガス供給機構の動作を停止して、前記精製装置で得られる前記精製ガス中における前記不純物ガスの濃度が所望の濃度未満となるように制御するとともに、前記不純物ガス脱着機構の動作中に前記少なくとも２つの温度測定センサのうち前記脱着したガスが流出する吸排気口の最も近くに配置された温度測定センサにより前記吸着剤の温度下降の停止が検出されたことに基づいて、前記不純物ガス脱着機構の動作を停止し、前記少なくとも２つの吸着塔のうちの少なくとも１つが吸着工程を実施している間に他の少なくとも１つの吸着塔にて脱着工程を実施して脱着ガスを得て、該脱着ガスを、前記吸着工程を実施している吸着塔に対して供給するように制御することを特徴とする。このように、精製ガスが流出する吸排気口の最も近くに配置された温度測定センサにより検出された温度変化に基づいて吸着工程の持続時間を決定することで、精製ガスの濃度を所望以上に安定的に維持することができる。
即ち、吸着塔の精製ガスが排出される側における吸着剤の温度変化に基づいて吸着工程の持続時間を決定することで、タイムラグ無く吸着工程の実施時間を制御して、安定的に一定品質の精製ガスを得ることが可能となる。
また、吸着塔内の吸着剤に吸着した不純物ガスの大部分が脱着し、脱着したガスが流出する吸排気口側で吸着剤の温度下降の停止が検出されたタイミングで脱着工程を停止することで、脱着工程の持続時間を必要十分な長さとすることができる。

ここで、本発明の混合ガスの精製装置では、前記制御装置は、前記精製ガスが流出する吸排気口の最も近くに配置された温度センサにより前記吸着剤の温度上昇が検出されたことに基づいて、前記混合ガス供給機構の動作を停止することが好ましい。吸着塔の精製ガスが排出される側において吸着剤に不純物ガスが吸着され始め、吸着剤の温度が上昇したタイミングで吸着工程を停止することで、目的ガスの濃度を確実に所望の濃度以上に維持することができるからである。

また、本発明の混合ガスの精製装置では、前記吸着塔は、前記温度測定センサを２つ以上有し、前記制御装置は、前記不純物ガス脱着機構の動作中に前記脱着したガスが流出する吸排気口の最も近くに配置された温度センサにより前記吸着剤の温度下降の停止が検出されたことに基づいて、前記不純物ガス脱着機構の動作を停止することが好ましい。メタン発酵ガスの発生量や組成は、有機性廃棄物の性状の変動や、季節変化に伴うメタン発酵処理温度の変動などの影響を受けて変動するが、本発明による混合ガスの精製装置によれば、そのような変動に対して容易に追従して一定品質のガスを安定的に得ることができる。

本発明の混合ガスの精製方法及び精製装置によれば、一定品質の精製ガスを安定的に得ることができる経済的かつ効率的な方法を提供することができる。

本発明に従う代表的な混合ガスの精製装置の概略構成を示す図である。図１に示す精製装置の運転工程表の一例を示す図である。図２に示す運転工程表のステージ１の工程１におけるガスの流れを示す図である。図２に示す運転工程表のステージ１の工程２におけるガスの流れを示す図である。図２に示す運転工程表のステージ１の工程３におけるガスの流れを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。なお、各図において同一の符号を付したものは、同一の構成要素を示すものとする。

ここで、本発明の混合ガスの精製装置は、目的ガスと不純物ガスとを含む混合ガスを圧力スイング吸着法により精製してメタンが富化された精製ガスを製造する際に用いることができる。
以下、本発明の混合ガスの精製装置及び精製装置について、混合ガスは、目的ガスとしてメタンガスを、不純物ガスとして炭酸ガスを含む、メタン発酵ガスであるものとして説明する。

＜混合ガスの精製装置＞
図１に示す混合ガスの精製装置１００は、吸着剤を充填した少なくとも１基（図示例では２基）の吸着塔１０，２０を備えている。そして、精製装置１００では、メタンガス及び炭酸ガスを含むメタン発酵ガスが圧力スイング吸着法を用いて精製され、メタンガスが富化された精製ガスが製造される。具体的には、精製装置１００では、メタン発酵ガスを、各吸着塔１０，２０に供給し、各吸着塔１０，２０内の吸着剤で炭酸ガスの大部分とメタンガスの一部とを吸着することにより、メタンガスが富化された精製ガスを精製装置１００外に排出する（吸着工程）。さらに、また、吸着工程において炭酸ガスとメタンガスとを吸着した各吸着塔１０，２０内の吸着剤は、吸着剤に吸着された炭酸ガスを減圧下で脱着させることにより再生される（脱着工程）。

各吸着塔１０，２０内の吸着剤は、圧力スイング吸着法を用いたメタン発酵ガスの精製に利用可能な既知の吸着剤、例えば、活性炭や、分子ふるい炭や、ゼオライト等を含む。なお、吸着剤は、金網などの既知の手段を用いて吸着塔内で支持することができる。

各吸着塔１０，２０は、それぞれ、吸着塔内の吸着剤の温度を測定する温度センサとして、熱電対１０ａ，１０ｂ，１０ｃ、熱電対２０ａ，２０ｂ，２０ｃを備えている。各熱電対１０ａ，２０ａは、それぞれ、各熱電対１０ａ〜ｃ、２０ａ〜ｃのうち、各吸着塔１０，２０の第２吸排気口１９ｂ，２９ｂに最も近い位置に充填された吸着剤の温度変化を測定する。具体的には、熱電対１０ａ，２０ａは、吸着剤よりなる吸着層の上端から０〜１０ｃｍの範囲内に配置されて、吸着層の上部における吸着剤の温度変化を測定する。また、各熱電対１０ｃ，２０ｃは、それぞれ、各熱電対１０ａ〜ｃ、２０ａ〜ｃのうち、各吸着塔１０，２０の第１吸排気口１９ａ，２９ａに最も近い位置に充填された吸着剤の温度変化を測定する。具体的には、熱電対１０ｃ，２０ｃは、吸着剤よりなる吸着層の下端から０〜１０ｃｍの範囲内に配置されて、吸着層の下部における吸着剤の温度変化を測定する。そして、各熱電対１０ｂ，２０ｂは、吸着剤よりなる吸着層の中央部における吸着剤の温度変化を測定する。なお、各熱電対１０ａ〜ｃ、２０ａ〜ｃは、各吸着塔１０，２０に気密に挿通されている。
ここで、吸着剤は、炭酸ガスを吸着することに応じて発熱し、炭酸ガスを脱着することによって吸熱するため、炭酸ガスを吸着した吸着剤周囲の温度は上昇し、炭酸ガスが脱着した吸着剤周囲の温度は下降する。概して、吸着工程において、各吸着塔１０，２０の下部に配設された第１吸排気口１９ａ，２９ａから供給されたメタン発酵ガスが各吸着塔１０，２０の内部を上昇していく際に、各吸着塔１０，２０の下方に位置する吸着剤から順次炭酸ガスを吸着するため、吸着剤の温度変化（温度上昇）も各吸着塔１０，２０の下方から順次生じる。このため、各吸着塔１０，２０の上部であり、第２吸排気口１９ｂ，２９ｂの付近にそれぞれ位置する熱電対１０ａ，２０ａにより吸着剤の温度上昇が検出されたということは、各吸着塔１０，２０の中部〜下部に充填された吸着剤が既に炭酸ガスを吸着しており、各吸着塔１０，２０が全体として吸着能が低下した状態であることを意味する。したがって、このまま各吸着塔１０，２０を使用しつづけたのでは、炭酸ガスの吸着が不十分となり、精製ガスにおける炭酸ガスの濃度が目標値よりも高濃度となる虞がある。このため、精製ガスを一定品質に維持するためには、直ちに吸着工程を終了し、吸着剤を再生することが望ましい。本発明はこのような知見に基づくものである。

また、精製装置１００は、装置外からメタン発酵ガスが流入する共通混合ガスライン４０と、共通混合ガスライン４０と第１吸着塔１０とを接続する第１混合ガスライン１１と、共通混合ガスライン４０と第２吸着塔２０とを接続する第２混合ガスライン２１とを備えている。
なお、第１混合ガスライン１１には第１混合ガス弁１２が設けられており、第２混合ガスライン２１には第２混合ガス弁２２が設けられている。各混合ガス弁１２，２２は、それぞれ、各第１吸排気口１９ａ，２９ａを介して、吸着塔１０，２０に混合ガスを供給する混合ガス供給機構を構成する。

さらに、精製装置１００は、各吸着塔の第２吸排気口１９ｂ，２９ｂから流出した精製ガスを装置外へと流す共通精製ガスライン５０と、第１吸着塔１０と共通精製ガスライン５０とを接続する第１精製ガスライン１３と、第２吸着塔２０と共通精製ガスライン５０とを接続する第２精製ガスライン２３とを備えている。
なお、第１精製ガスライン１３には第１精製ガス弁１４が設けられており、第２精製ガスライン２３には第２精製ガス弁２４が設けられている。

また、精製装置１００は、第１精製ガスライン１３と第２精製ガスライン２３とを連通する共通均圧化ライン６０を備えている。
なお、共通均圧化ライン６０は、第１吸着塔１０と第１精製ガス弁１４との間、及び第２吸着塔２０と第２精製ガス弁２４との間にて、それぞれ、第１精製ガスライン１３、及び第２精製ガスライン２３と接続している。そして、共通均圧化ライン６０には、均圧化弁６１が設けられている。

さらに、精製装置１００は、各吸着塔内の吸着剤に吸着された炭酸ガスを減圧下で脱着させて吸着剤を再生させた際に生じるガス（以下「脱着ガス」と称することがある。）を装置外へと流す共通脱着ガスライン７０を有している。そして、共通脱着ガスライン７０は、第１混合ガスライン１１から分岐して延びる第１脱着ガスライン１７及び第２混合ガスライン２１から分岐して延びる第２脱着ガスライン２７と接続されている。
なお、第１脱着ガスライン１７は、第１混合ガス弁１２と第１吸着塔１０との間で第１混合ガスライン１１から分岐しており、第２脱着ガスライン２７は、第２混合ガス弁２２と第２吸着塔２０との間で第２混合ガスライン２１から分岐している。そして、第１脱着ガスライン１７には、第１脱着ガス弁１８が設けられており、第２脱着ガスライン２７には、第２脱着ガス弁２８が設けられている。

ここで、共通脱着ガスライン７０には、第２脱着ガスライン２７との接続部側から装置外側へ向かって、各吸着塔内の減圧に用いられる減圧装置としての真空ポンプ７１及び共通脱着ガス弁７２が順次配設されている。
吸着剤に吸着された炭酸ガスを減圧下で脱着させる炭酸ガス脱着機構は、各脱着ガス弁１８，２８、真空ポンプ７１、及び共通脱着ガス弁７２により構成される。

そして、上述した構成を有する精製装置１００では、共通混合ガスライン４０と、第１混合ガスライン１１及び第２混合ガスライン２１とが、各吸着塔１０，２０内に混合ガスを供給する混合ガス供給ラインとして機能し得る。
また、第１精製ガスライン１３及び第２精製ガスライン２３と、共通精製ガスライン５０とが、各吸着塔１０，２０から流出した精製ガスを装置外へと流す精製ガスラインとして機能し得る。
さらに、第１精製ガスライン１３の一部（第１吸着塔１０から共通均圧化ライン６０が接続する部分まで）と、共通均圧化ライン６０と、第２精製ガスライン２３の一部（第２吸着塔２０から共通均圧化ライン６０が接続する部分まで）と、共通均圧化ライン６０とが、各吸着塔同士を連通して吸着塔内の圧力を均一化する均圧化ラインとして機能し得る。
また、第１混合ガスライン１１の一部（第１吸着塔１０から第１脱着ガスライン１７が分岐する部分まで）及び第１脱着ガスライン１７、並びに第２混合ガスライン２１の一部（第２吸着塔２０から第２脱着ガスライン２７が分岐する部分まで）及び第２脱着ガスライン２７と、共通脱着ガスライン７０とが、各吸着塔１０，２０から流出した脱着ガスを装置外へと流す脱着ガスラインとして機能し得る。

なお、精製装置１００は、精製装置１００を用いた混合ガスの精製方法について以下に詳細に説明するように、一方の吸着塔に混合ガスを供給して精製ガスを製造している間に他方の吸着塔で吸着塔内を減圧して吸着剤に吸着されたガスを脱着するように運転される。なお、精製装置１００の運転は、手動で行ってもよいし、図示しない制御盤等を用いて自動で行ってもよい。

ここで、精製装置１００の制御装置８０は、各吸着塔１０，２０の上部及び下部にそれぞれ位置する熱電対１０ａ，１０ｃ，２０ａ，２０ｃにより検出される、各吸着塔１０，２０の内部に充填された吸着剤の温度変化をモニタリングし、モニタリングした温度変化に基づいて、後に詳細に説明するようにして吸着工程及び脱着工程の開始及び停止を制御する装置である。なお、図１においては、明確のために、熱電対１０ａ，ｃ、第１混合ガス弁１２、第１脱着ガス弁１８、真空ポンプ７１、及び共通脱着ガス弁７２と、制御装置８０との間をそれぞれ破線でつないで図示して、制御装置８０が熱電対１０ａ，ｃの温度変化をモニタリングして、混合ガス供給機構を構成する第１混合ガス弁１２と、炭酸ガス脱着機構を構成する第１脱着ガス弁１８、真空ポンプ７１、及び共通脱着ガス弁７２とを制御可能なことを示す。破線により示さないが、制御装置８０は、同様に、熱電対２０ａ，ｃの温度変化に基づいて、第２混合ガス弁２２及び第２脱着ガス弁２８を制御することももちろん可能である。

＜混合ガスの精製方法＞
図１に示す精製装置１００を用いた混合ガスの精製は、本発明の混合ガスの精製方法の一例を使用し、図２に示すような運転工程表に従って行うことができる。具体的には、精製装置１００では、図２に示すステージ１，２を順次繰り返して実施することにより、メタン発酵ガスを連続的に精製し、所望の濃度以上のメタンガスを含有する精製ガスを得ることができる。
なお、精製ガス中のメタンガスの「所望の濃度」とは、精製ガスの用途に応じて予め定まる濃度であり、例えば、精製ガスを都市ガス原料として使用する場合には９９．５体積％であり、精製ガスを自動車用燃料として使用する場合には９５体積％である。

ここで、図２に示すように、この一例の精製方法では、第１吸着塔１０及び第２吸着塔２０のそれぞれにおいて、吸着塔にメタン発酵ガスを供給して精製ガスを得る吸着工程と、吸着工程において吸着剤に吸着されたガスを減圧下で脱着させて吸着剤を再生する脱着工程とが繰り返して実施される。そして、この一例の精製方法では、図２に示すように、一方の吸着塔で吸着工程を実施している間に他方の吸着塔で脱着工程を実施する。

なお、図２からも明らかなように、この一例の精製方法では、ステージ毎に吸着工程を実施する吸着塔を順次切り替えることにより混合ガスを連続的に精製している。従って、当業者であれば、ステージ２は、ステージ１と同様にして実施し得ることを理解することができる。そこで、以下では、図３Ａ〜図３Ｃを用いて、混合ガスの精製開始から２回目以降（即ち、ステージ１及び２を少なくとも１回以上実施した後）のステージ１における精製装置１００の運転内容について説明し、ステージ２における精製装置１００の運転内容については説明を省略する。なお、図３Ａ〜図３Ｃでは、太線矢印を用いてガスの流れを表示している。

ここで、メタン発酵ガスの精製開始から２回目以降のステージ１の開始時には、各吸着塔１０，２０は、ステージ２の工程３が終了した状態にある。従って、図２から明らかなように、第２吸着塔２０は、吸着剤に炭酸ガス等が吸着された状態にある。
そして、ステージ１では、下記の工程１〜３が順次実施される。

（工程１）
図３Ａに示すように、ステージ１の工程１では、均圧化弁６１のみを開き、他の弁は閉じると共に、真空ポンプ７１を停止させた状態とする。

ステージ１の工程１では、共通均圧化ライン６０を介して第１吸着塔１０と第２吸着塔２０とを連通する。そして、第１吸着塔１０内の圧力と、第２吸着塔２０内の圧力とを均一化することにより、後の工程において第１吸着塔１０内の圧力を増加させたり、第２吸着塔２０内の圧力を低下させたりする際に必要となるエネルギーを削減する。
なお、工程１の実施時間は、第１吸着塔１０及び第２吸着塔２０の圧力を均一化するのに十分な時間とすることができる。

（工程２）
図３Ｂに示すように、ステージ１の工程２では、第１混合ガス弁１２、第１精製ガス弁１４、第２脱着ガス弁２８、及び共通脱着ガス弁７２を開くと共に、真空ポンプ７１を運転させる。一方で、均圧化弁６１を閉じる。

そして、ステージ１の工程２では、共通混合ガスライン４０の一部及び第１混合ガスライン１１を介して第１吸着塔１０にメタン発酵ガスを供給する。ここで、第１吸着塔１０では、供給されたメタン発酵ガスに含まれている炭酸ガスの大部分と、メタンガスの一部とが吸着剤に吸着される。その結果、第１吸着塔１０の第２吸排気口１９ｂからメタンガスが富化された精製ガスが流出し、第１吸着塔１０から流出した精製ガスは、第１精製ガスライン１３及び共通精製ガスライン５０を通って装置外へと流出する。

なお、メタン発酵ガスは、任意に０．１〜１．０ＭＰａ（ゲージ圧）まで加圧した状態で第１吸着塔１０に供給することができる。加圧下でメタン発酵ガスを供給すれば、不純物ガスとしての炭酸ガスの吸着剤への吸着を促進することができるからである。因みに、メタン発酵ガスを低圧、例えば３〜１００ｋＰａ（ゲージ圧）で供給する場合には、吸着塔に充填する吸着剤の量を増やし、例えば、吸着剤に分子ふるい炭を用いた場合は、吸着塔１塔あたりの空間速度を３００ｈ^−１以下とすることにより、炭酸ガスを吸着剤に十分に吸着させることができる。ここで、空間速度は、下記式（１）を用いて算出することができる。
空間速度（ｈ^−１）＝メタン発酵ガスの供給量（ｍ^３／ｈ）／１塔あたりの吸着剤充填体積（ｍ^３）・・・（１）

また、ステージ１の工程２では、炭酸ガス脱着機構を動作させて、すなわち、第２脱着ガス弁２８及び共通脱着ガス弁７２を開き、真空ポンプ７１を運転させて第２吸着塔２０内を減圧し、第２吸着塔内の吸着剤に吸着されていたガスを脱着させて吸着剤を再生する。

即ち、ステージ１の工程２では、第１吸着塔１０において、吸着塔に混合ガスを供給して精製ガスを得る吸着工程を実施するとともに、第２吸着塔２０において吸着剤を再生する脱着工程を実施する。なお、工程２では、第２吸着塔２０で脱着したガスの一部を第１吸着塔１０に供給して脱着ガス中に含まれているメタンガスを回収するようにしてもよい。

ここで、工程２を終了するタイミング、即ち、脱着工程を終了するタイミングは、第２吸着塔２０の第１吸排気口２９ａの付近（脱着ガスの最も排出側）に位置する熱電対２０ｃにより吸着剤の温度下降の停止が検出されたことに基づいて決定される。このことは、脱着工程において、吸着剤から脱着した炭酸ガスが第２吸着塔２０の第１吸排気口２９ａから排出されるにあたり、第２吸着塔２０の上部に位置する吸着剤から順次炭酸ガスが脱着されるということに基づくものである。吸着剤は、炭酸ガスを脱着することによって吸熱するため、炭酸ガスが脱着した吸着剤周囲の温度は下降する。よって、吸着剤の温度下降は、炭素ガスの大部分が脱着すると、停止すると考えられる。すなわち、第１吸排気口２９ａの付近の吸着剤の温度下降が停止したということは、第２吸着塔２０内の炭酸ガスの大部分が脱着したということを意味する。
なお、「吸着剤の温度下降の停止が検出される」とは、熱電対によって測定した温度の下降速度が、予め定めた所定の閾値以下となったことや、一定時間以上所定の閾値以上の温度下降が検出されなかったことを意味する。温度下降速度の閾値は、吸着剤の種類や充填量に応じて種々異なり、当業者であれば適宜選択することができる。例えば、吸着剤が分子ふるい炭であり、空間速度が３００ｈ^−１である場合には、温度下降速度の閾値を１℃／分として設定することができる。あるいは、１分以上１℃以上の温度下降が検出されなかった場合に、吸着剤の温度下降が停止したと判定することができる。このようにすれば、吸着塔内を流れる脱着ガスの微小な温度変化等に起因した「温度下降の停止」の誤検出を防止することができる。

（工程３）
工程２の後に実施する工程３では、図３Ｃに示すように、第１混合ガス弁１２、第１精製ガス弁１４、第２脱着ガス弁２８、及び共通脱着ガス弁７２は開いた状態を維持し、真空ポンプ７１は運転を継続する。また、第２精製ガス弁２４を開く。なお、その他の弁は閉じた状態を維持する。

ここで、ステージ１の工程３では、第１吸着塔１０から流出した精製ガスの一部を、第２精製ガスライン２３を介して第２吸着塔２０へと供給し、第２吸着塔３０内の雰囲気を精製ガスで置換すると共に、第２吸着塔２０内に残存している脱着ガスを精製装置１００外へと流出させる。

即ち、ステージ１の工程３では、第１吸着塔１０において、吸着塔にメタン発酵ガス及び置換ガスを供給して精製ガスを得る吸着工程を実施するとともに、第２吸着塔２０において吸着塔内を精製ガスで置換し、吸着剤を十分に再生させる置換工程を実施する。なお、第２吸着塔２０から流出するガス（以下「置換ガス」と称する。）は、精製ガスと殆ど同じ組成を有しており、メタンガスを高濃度で含む。そのため、置換ガスは、排気することなく、共通混合ガスライン４０へと流入させ、第１吸着塔１０へと供給してもよい。

ここで、工程３を終了するタイミング、即ちステージ１を終了するタイミングは、第１吸着塔１０の熱電対１０ａにより第２吸排気口１９ｂの付近（精製ガスの最も排出側）の吸着剤の温度変化が検出されたことに基づいて決定される。即ち、第１吸着塔１０の熱電対１０ａにより吸着剤の温度上昇が検出されると、精製装置１００はステージ１を終了してステージ２を開始する。「吸着剤の温度上昇が検出される」とは、熱電対によって、吸着工程開始時と比較して、所定の閾値以上の温度上昇が検出されたこと、或いは、温度上昇速度が所定の閾値以上となったことを意味する。温度上昇速度の閾値は、吸着剤の種類や充填量に応じて種々異なり、当業者であれば適宜選択することができる。例えば、吸着剤が分子ふるい炭であり、空間速度が３００ｈ^−１である場合には、温度上昇速度の閾値を１℃／分として、設定することができる。あるいは、１分以上１℃以上の温度上昇が検出されなかった場合に、吸着剤の温度上昇が停止したと判定することができる。このようにすれば、吸着塔内を流れる脱着ガスの微小な温度変化等に起因した「吸着剤の温度上昇」の誤検出を防止することができる。

そして、精製装置１００を用いた上記一例の精製方法によれば、第２吸排気口１９ｂの最も近くに配置された熱電対１０ａにより検出された吸着剤の温度変化に基づいて、第１吸着塔１０における吸着工程を停止するので、精製対象のメタン発酵ガスの組成及び流量が変動した場合であっても、安定的に一定品質の精製ガスを得ることができる。特に、上記一例の精製方法では、吸着塔内の吸着剤の温度を直接測定し、測定した温度に基づいて吸着工程の停止タイミングを制御しているので、ガス濃度検出器を用いた従来技術のようなタイムラグなしに制御を行うことができる。また、吸着塔の破過を事前に検知することができる。
また、第１吸排気口２９ａの付近に位置する熱電対２０ｃにより吸着剤の温度下降の停止が検出されたことに基づいて、脱着工程を停止するので、真空ポンプ７１による吸引時間を必要十分な長さとして、精製装置１００の稼動に際してエネルギーの浪費を回避して稼動コストを節約することができる。

以上、一例を用いて本発明の混合ガスの精製装置及び精製方法について説明したが、本発明の精製装置及び精製方法は、上記一例に限定されることはなく、本発明の精製装置及び精製方法には、適宜変更を加えることができる。
また、本発明の精製方法では、各熱電対１０ａ，２０ａが吸着剤の温度上昇を検出したタイミングで吸着工程を停止させるものとして記載した。しかし、精製ガスに要求される品質が許容する限りにおいて、例えば、各熱電対１０ａ，２０ａが吸着剤の温度上昇の開始を検出した後、所定時間経過後に吸着工程を停止するように、精製装置１００を構成することももちろん可能である。この場合、吸着塔の吸着力を最大限活用することで、ステージ１及びステージ２の稼動時間を延長して、精製装置１００の稼動に必要な電力を節約することができる。
また、本発明の精製方法では、各熱電対１０ａ，１０ｃ，２０ａ，２０ｃに加えて、各吸着塔１０，２０の長手方向中間に配置された、熱電対１０ｂ及び２０ｂにより検出された温度変化を利用して、各吸着塔１０，２０がどの程度吸着余力があるか、或いは脱着がどの程度完了しているかをモニタリングすることができる。
さらに、本発明の精製方法では、上記一例の運転工程表の工程１及び工程３は実施しなくてもよい。
さらに、本発明の精製方法では、３基以上の吸着塔を用いて精製を行うことももちろん可能である。

本発明の混合ガスの精製方法及び精製装置によれば、精製対象の混合ガスの組成及び流量が変動しても、変動にタイムラグ無く対応して安定的に一定品質の精製ガスを得ることができる。

１０：第１吸着塔
１１：第１混合ガスライン
１２：第１混合ガス弁
１３：第１精製ガスライン
１４：第１精製ガス弁
１７：第１脱着ガスライン
１８：第１脱着ガス弁
１９ａ：第１吸排気口
１９ｂ：第２吸排気口
２０：第２吸着塔
２１：第２混合ガスライン
２２：第２混合ガス弁
２３：第２精製ガスライン
２４：第２精製ガス弁
２７：第２脱着ガスライン
２８：第２脱着ガス弁
３０：第２吸着塔
４０：共通混合ガスライン
５０：共通精製ガスライン
６０：共通均圧化ライン
６１：均圧化弁
７０：共通脱着ガスライン
７１：真空ポンプ
７２：共通脱着ガス弁
８０：制御装置
１００：精製装置

Claims

吸着剤が充填された少なくとも２つの吸着塔を備える精製装置を使用し、目的ガスと不純物ガスとを含む混合ガスを圧力スイング吸着法により精製して目的ガスが富化された精製ガスを得る混合ガスの精製方法であって、
前記少なくとも２つの吸着塔は、それぞれ、前記吸着剤の温度を測定する少なくとも２つの温度測定センサを有し、
前記少なくとも２つの吸着塔は、それぞれ、前記混合ガスを導入して前記吸着剤に前記不純物ガスを吸着させ、前記精製ガスを排出する吸着工程と、前記吸着工程において前記吸着剤に吸着された前記不純物ガス及び目的ガスを減圧下で脱着させて脱着ガスを得て、該脱着ガスを排出し前記吸着剤を再生する脱着工程と、を実施し、
前記精製装置では、
前記吸着工程の開始後に、前記少なくとも２つの温度測定センサのうち最も前記精製ガスの排出側に配置された温度測定センサにより前記吸着剤の温度上昇が検出された、あるいは、前記吸着剤の温度上昇が停止したと判定された、直後に、前記吸着工程を停止して、前記精製装置で得られる前記精製ガス中における前記不純物ガスの濃度が所望の濃度未満となるようにするとともに、
前記脱着工程の開始後に、前記少なくとも２つの温度測定センサのうち最も前記脱着したガスの排出側に配置された温度測定センサにより前記吸着剤の温度下降の停止が検出されたことに基づいて、前記脱着工程を停止し、
前記少なくとも２つの吸着塔のうちの少なくとも１つが前記吸着工程を実施している間に他の少なくとも１つの吸着塔にて前記脱着工程を実施して脱着ガスを得て、該脱着ガスを、前記吸着工程を実施している吸着塔に対して供給して、脱着ガス中に含まれている目的ガスを回収することを特徴とする、混合ガスの精製方法。
前記目的ガスはメタンガスであり、前記不純物ガスは炭酸ガスであり、前記混合ガスは、メタン発酵ガスであることを特徴とする、請求項１に記載の混合ガスの精製方法。
目的ガスと不純物ガスとを含む混合ガスを圧力スイング吸着法により精製して目的ガスが富化された精製ガスを得る混合ガスの精製装置であって、
不純物ガスを吸着する吸着剤が充填され、且つ、該吸着剤の温度を測定する少なくとも２つの温度測定センサと、少なくとも２つの吸排気口とをそれぞれ有する、少なくとも２つの吸着塔と、
前記少なくとも２つの吸着塔の各第１吸排気口を介して前記吸着塔に前記混合ガスを供給する混合ガス供給機構と、
前記吸着剤に吸着された不純物ガス及び目的ガスを減圧下で脱着させて脱着ガスを得て、該脱着ガスを前記吸排気口のうちの少なくとも一つから排出させる不純物ガス脱着機構と、
前記混合ガス供給機構及び前記不純物ガス脱着機構を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、
前記混合ガス供給機構の動作中に前記少なくとも２つの温度測定センサのうち前記精製ガスが流出する吸排気口の最も近くに配置された温度測定センサにより前記吸着剤の温度上昇が検出された、あるいは、前記吸着剤の温度上昇が停止したと判定された、直後に、前記混合ガス供給機構の動作を停止して、前記精製装置で得られる前記精製ガス中における前記不純物ガスの濃度が所望の濃度未満となるように制御するとともに、
前記不純物ガス脱着機構の動作中に前記少なくとも２つの温度測定センサのうち前記脱着したガスが流出する吸排気口の最も近くに配置された温度測定センサにより前記吸着剤の温度下降の停止が検出されたことに基づいて、前記不純物ガス脱着機構の動作を停止し、
前記少なくとも２つの吸着塔のうちの少なくとも１つが吸着工程を実施している間に他の少なくとも１つの吸着塔にて脱着工程を実施して脱着ガスを得て、該脱着ガスを、前記吸着工程を実施している吸着塔に対して供給して、脱着ガス中に含まれている目的ガスを回収するように制御する、ことを特徴とする、混合ガスの精製装置。
前記目的ガスはメタンガスであり、前記不純物ガスは炭酸ガスであり、前記混合ガスは、メタン発酵ガスであることを特徴とする、請求項３に記載の混合ガスの精製装置。