JP6716048B1 - 熱量変動抑制装置、熱量変動抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスの窒素成分増加が、急激に発生した場合においでも、端末装置への影響を最小限に抑える。【解決手段】熱量が変動する燃料供給システムにおいて、端末機器２２へガスを供給する前の配管２０に、吸着材としての活性炭２８が充填され、かつ、所定量の空隙３０（容積）をもつ熱量変動抑制タンク３２を介在させている。熱量変動抑制タンク３２によれば、例えば、窒素ガスなどの混入によって低熱量側に変動した際にもバッファタンク（活性炭２８が無い条件）と概ね等価の熱量変動抑制効果が確認された。活性炭２８が充填された熱量変動抑制タンク３２は、高熱量側から低熱量側までの幅広い熱量変動抑制効果を発揮することかできる。活性炭２８の無いバッファタンクと比較して、小型で設置面積も小さくできる。【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＮＧ（液化天然ガス）貯槽から発生するＢＯＧ（ボイルオフガス）をガスエンジン等の消費機器燃料として使用する際、ＢＯＧ中に含まれる不純成分（例えば、窒素ガス等）の増減によるガスエンジンのノッキングや失火等を防止するためのガス組成に起因する熱量変動を抑制するための熱量変動抑制装置、熱量変動抑制方法に関する。

都市ガス製造基地などにおいてＬＮＧを、気化器（例えば、ＯＲＶ（オープンラックベーパーライザー）等）にて気化させて生成する気化ガスにおいて、ＬＮＧ中に含まれる重炭化水素成分（エタン、プロパン、イソブタン、ノルマルブタン、イソペンタン、ノルマルペンタン等）が経時的に組成変動することでＬＮＧの主成分であるメタンガスの総発熱量（以降「メタン熱量」と称す）よりも高い発熱量（以降「高熱量」と称す）となり、メタン熱量と高熱量の変動を繰り返すことがあり、ガス製造設備やガスエンジンなどの消費機器の稼働に影響する可能性がある。

通常は、熱量変動抑制するためにガス配管中にバッファタンクなどを配置して熱量変動を緩和させている。しかし、バッファタンクは設置面積や設置コストが高くなる。

そこで、活性炭の吸着現象を活用した吸着式の熱量変動抑制タンクを用いることがなされている（特許文献１〜特許文献４参照）。

吸着式の熱量変動抑制タンクはバッファタンクと比較してタンクサイズを大幅に小さくできることから、ＬＮＧ基地やＬＮＧサテライトなどに導入されている。

特許第４９０７８４５号公報 特許第４９３１７１８号公報 特許第５２０７５２２号公報 特許第５１６０６２７号公報

ところが、近年では都市ガスの原料であるＬＮＧ資源調達の多様化によるＬＮＧ成分の希薄化や不純物の増加などによって、メタン熱量よりも更に熱量が低くなる課題が顕在化しつつある。

特に気化したガス中の窒素ガス成分が増加した場合、メタン熱量よりも低い熱量（以降「低熱量」と称す）に変動する可能性がある。

しかし、特許文献１〜特許文献４に記載されている活性炭は、高熱量への熱量変動に対しては効果が確認されているが、低熱量側への熱量変動に対する抑制効果は検証されていないため、ガス製造設備やガスエンジンなどの消費機器への影響が懸念される。

都市ガス事業者は、複数のＬＮＧ貯槽に産出国ごとに分けて貯蔵を行っているケースがある。このような場合、ガス製造時に複数のＬＮＧ貯槽からＬＮＧが送出されるため、配管内で異なる成分のガスが合流する界面で急激な熱量変動を生ずることがある。

特に、窒素ガス成分が増加した場合の低熱量側への熱量変動抑制効果が確認されていない事から、窒素ガス成分の変動による熱量変動を抑制し、ガス製造設備やガスエンジン等の端末装置への影響を最小限にすることが必要である。

本発明は、燃料ガスの窒素成分増加が、急激に発生した場合においても、端末装置への影響を最小限に抑えることができる熱量変動抑制装置、熱量変動抑制方法を得ることが目的である。

本発明に係る燃料ガスの熱量変動抑制装置は、燃料消費機器へ送出される燃料ガスの熱量変動を抑制する熱量変動抑制装置であって、前記燃料ガスの熱量変動を抑制するための熱量変動抑制タンクと、前記熱量変動抑制タンク内に充填され、前記燃料ガスに含まれる燃焼性ガス及び非燃焼性ガスを吸着及び脱着することで、前記熱量変動抑制タンクと共に、前記燃料ガスの目標範囲の熱量を逸脱する熱量変動を抑制する多孔質部材とを有し、前記燃料ガスが、前記燃焼性ガス及び前記非燃焼性ガスの成分比率が異なる２以上のＬＮＧガスを混合することで生成されており、異なる成分比率のＬＮＧガスが合流する界面において発生する熱量変動を、前記熱量変動抑制タンク及び、前記多孔質部材の吸着及び脱着によって抑制することを特徴としている。

また、本発明に係る熱量変動抑制方法は、燃料消費機器へ送出される燃料ガスの熱量変動を抑制する熱量変動抑制方法であって、前記燃料ガスが燃焼性ガス及び非燃焼性ガスの成分比率が異なる２以上のＬＮＧガスを混合することで生成されており、当該燃料ガスを、熱量変動抑制タンクに送り込むことで熱量変動を抑制して排出する際に、当該熱量変動抑制タンクに多孔質部材を充填し、前記熱量変動抑制タンクによる熱量変動抑制と共に、異なる成分比率のＬＮＧガスが合流する界面において発生する熱量変動を、前記多孔質部材の前記燃料ガスに含まれる燃焼性ガス及び非燃焼性ガスの吸着及び脱着によって、前記燃料ガスの目標範囲の熱量を逸脱する熱量変動を抑制する、ことを特徴としている。

本発明において、前記燃焼性ガスの主成分がメタンガスであり、前記非燃焼性ガスの主成分が窒素であり、前記燃料ガスが前記熱量変動抑制タンクを通過するときの、空塔速度、ガス圧力、及び、前記多孔質部材の充填率の少なくとも１つを調整することで、前記目標範囲内の熱量の変動に抑制することを特徴としている。

本発明において、前記多孔質部材が活性炭であり、前記活性炭によるガスの吸着及び脱着による熱量変動抑制効果分、前記熱量変動抑制タンクの空隙部の容積を小さくしたことを特徴としている。

本発明によれば、熱量変動抑制タンクは、多孔質部材が投入されることで、低熱量側の熱量変動抑制に必要な容積よりも小さい容積の空隙部を持っている。

すなわち、熱量変動抑制タンクの空隙部の容積を小さくすることで減少した変動抑制効果率を、多孔質部材と相互に影響しあって補間していることになる。

これにより、低熱量側の熱量変動抑制に必要な容積を持つバッファタンクの大きさ（外形）よりも、熱量変動抑制タンク自体の大きさ（外形）を小さくすることができる。

以上説明したように本発明では、燃料ガスの窒素成分増加が、急激に発生した場合においでも、端末装置への影響を最小限に抑えることができる。

本実施の形態に係り、端末機器に燃料を供給するための燃料供給システムを示す概略図である。 本実施の形態の吸着材として適用した活性炭の構造を示す断面図及び細孔の拡大図である。 本実施の形態の実験例に適用される装置の概略であり、（Ａ）はメタンガスと窒素との混合率を周期的に変化させ、熱量変動抑制タンクによる変動抑制前と変動抑制後のメタン濃度を測定するための装置の正面図、（Ｂ）は図３（Ａ）の装置で実施される条件の一覧図表である。 図３（Ａ）の装置において、条件を、空塔速度を６４４／ｈ、活性炭充填率を１００％として行った抑制前後のメタン濃度特性図、（Ｂ）は図４（Ａ）の一部を示す拡大図である。 図３（Ｂ）に示す各条件の下での熱量変動抑制効果を示す特性図である。

図１は、ガスエンジンに燃料を供給するための燃料供給システム１０を示す概略図である。

燃料供給システム１０は、複数（図１では、２基）のＬＮＧ貯槽１４Ａ及びＬＮＧ貯槽１４Ｂを備えている。

一方のＬＮＧ貯槽１４Ａに貯留されているＬＮＧと、他方のＬＮＧ貯槽１４Ｂに貯留されているＬＮＧとは、基本的に燃焼性ガスであるメタンガスを主成分としているが、非燃焼性ガス（例えば、窒素）との成分比率が異なる。

ＬＮＧ貯槽１４Ａ及びＬＮＧ貯槽１４Ｂは、それぞれ配管１６Ａ及び配管１６Ｂが接続されている。ここで、配管１６Ａ及び配管１６Ｂは、接合部１８で管路が連通しており、接合部１８の下流側の配管２０は、端末機器（ガスエンジン、ガス利用設備等）２２に接続されている。

ＬＮＧ貯槽１４Ａ及びＬＮＧ貯槽１４Ｂ内では、それぞれＢＯＧ２４Ａ及びＢＯＧ２４Ｂが発生している。

ＢＯＧ２４Ａは、配管１６Ａの途中に設けられたコンプレッサ２６Ａによって加圧され、接合部１８で合流された状態で、配管２０によって端末機器２２へ供給される。

また、ＢＯＧ２４Ｂは、配管１６Ｂの途中に設けられたコンプレッサ２６Ｂによって加圧され、接合部１８で合流された状態で、配管２０によって端末機器２２へ供給される。なお、端末機器２２に接続される配管２０には、開閉バルブ２３が介在され、端末機器２２へのガス供給量を制御している。

ところで、上記燃料供給システム１０では、ＬＮＧ貯槽１４Ａ及びＬＮＧ貯槽１４Ｂへ貯留する前のＬＮＧ成分の燃焼性ガスと非燃焼性ガスとの成分比率の違いに起因して、合流部（図１では、接合部１８）の界面で、急激な熱量変動を発生する場合がある。

例えば、気化したガス（ここでは、ＢＯＧ２４Ｂ）中の窒素ガス成分が、ＢＯＧ２４Ａの窒素成分よりも多い場合、ＢＯＧ２４Ａと合流することで、ＢＯＧ２４Ａによるメタン熱量よりも低熱量側に変動し、定常熱量よりも低熱量側に変動したガスが、端末機器２２にへ供給される場合がある。また、その逆として、高熱量側に変動したガスが、端末機器２２にへ供給される場合がある。

そこで、本実施の形態では、端末機器２２へガスを供給する前の配管２０に、多孔質部材の一例としての活性炭２８が充填され、かつ、所定量の空隙３０（容積）をもつ熱量変動抑制タンク３２を介在させている。

加圧されたＢＯＧ（ＢＯＧ２４ＡとＢＯＧ２４Ｂの混合ガス）は、この熱量変動抑制タンク３２と、活性炭２８による吸着及び脱着によって、熱量変動を抑制した状態で端末機器２２へ供給されるようになっている。

図２は、活性炭２８の構造を示している。活性炭２８は、石炭や、ヤシ殻等の炭素物質を原料とした骨格２８Ａが、高温でガスや薬品と反応させて作られる細孔２８Ｂ（例えば、直径１０〜２００Å「１０Å＝１nm」）を備えている。なお、この数値範囲は一例であり、直径１０Å以下、又は２００Å以上を否定するものではない。吸着及び脱着するガス種等によって選択すればよい。

熱量変動抑制タンク３２の空隙３０（図１参照）は、変動幅を緩和し、活性炭２８は、気体を吸着及び脱着し、それぞれ熱量変動抑制として機能する。

ここで、活性炭２８は、高熱量への熱量変動に対しては効果が確認されているが、低熱量側への熱量変動に対する抑制効果は検証されていないため、ガス製造設備やガスエンジンなどの端末機器２２への影響が懸念される。

複数のＬＮＧ貯槽１４Ａ及びＬＮＧ貯槽１４ＢからＬＮＧが送出されるとき、配管２０内で異なる成分のガスが合流する界面で急激な熱量変動を生ずることがある。

本実施の形態では、窒素ガス成分が増加した場合の低熱量側への熱量変動抑制効果を確認し、熱量変動（振幅）が目標熱量を基準とした許容範囲内となる仕様（空塔速度、活性炭充填量等）の限度を特定した（図４参照）。なお、目標熱量（許容範囲を含む）とは、ガス製造設備やガスエンジン等の端末機器２２への影響を許容し得る熱量である。目標熱量でフラットであれば、影響が最小限となる。

以下に、本実施の形態の作用を説明する。

燃焼性ガスとしてのメタンガスを主成分とし、非燃焼性ガスである窒素ガス等の不純物との成分比率が異なるＬＮＧ貯槽１４Ａ及びＬＮＧ貯槽１４Ｂのそれぞれから送出されるＢＯＧガスが、コンプレッサ２６Ａ及びコンプレッサ２６Ｂのそれぞれで圧縮され、接合部１８よりも下流側の配管２０において、間歇的に混合される。

この場合、窒素成分比率に比例してＢＯＧ熱量（メタン熱量）と低熱量の変動の繰り返しが発生し、ガスエンジンや消費機器に影響を及ぼす可能性がある。

そこで、配管２０の途中に、活性炭２８が充填された熱量変動抑制タンク３２を設け、変動を抑制するようにした。

配管２０の途中に、熱量変動抑制タンク３２を介在させることで、変動抑制効果を発揮することは実証されているが、熱量変動抑制タンク３２に充填する活性炭２８の充填率、及びＢＯＧを供給する度合い（空塔速度）の最適値が確率されていなかった。

そこで、本実施の形態では、変動抑制前後における熱量変化速度の比較により、活性炭２８の充填率、及び空塔速度の限界値を特定した。

すなわち、活性炭２８による吸着及び脱着により熱量変動が抑制されるが、空塔速度が速くなると、この活性炭２８による吸着及び脱着が十分に行われない状態で、熱量変動抑制タンク３２を通過して、結果として熱量変動抑制効果が低下することを見い出した。

そこで、本実施の形態において、ガス供給設備の仕様を設計するにあたり、活性炭２８の充填がかえって逆効果となる空塔速度を上限として、空塔速度を設定し、当該空塔速度の下で、活性炭２８を所定の充填率で充填する。

本実施の形態によれば、例えば、窒素ガス等の混入によって低熱量側に変動した際にも、活性炭２８が充填されていない熱量変動抑制タンク３２を適用した場合と比較して、活性炭２８を充填することで、低熱量側の熱量変動抑制効果を発揮することができる。

（実験例）

「実験設備構成」

図３（Ａ）に示される如く、実験装置５０は、メタンガスタンク５２と、窒素ガスタンク５４を備えている。

メタンガスタンク５２から流出するメタンガスは、流量調整器５６で流量が調整されてミキサー５８へ供給される。

また、窒素ガスタンク５４から流出される窒素ガスは、流量調整器６０で流量が調整されてミキサー５８へ共有される。

ミキサー５８では、所定の流量となったメタンガスと窒素ガス混合され（合計で１００Ｖｏｌ％）、実験用の熱量変動抑制タンク３２Ａ（容積、６３ｍｌ）へ供給される。

ここで、熱量変動抑制タンク３２Ａの上流側配管６２には、混合ガスの抑制前濃度を計測する抑制前濃度計６４が介在されている。

また、熱量変動抑制タンク３２Ａの下流側配管６６には、混合ガスの抑制後濃度を計測する抑制後濃度計６８が介在されている。

上記実験装置５０において、図３（Ｂ）に示される条件で、混合ガスを生成し、抑制前濃度計６４及び抑制後濃度計６８の計測値を取得する。

すなわち、窒素濃度を１．５Ｖｏｌ％から６．０Ｖｏｌ％に周期的に変化させ、メタン濃度を９８．５Ｖｏｌ％から９４．０Ｖｏｌ％に周期的に変化させる。

抑制前の熱量変化速度は０．１８ＭＪ／秒とし、ガス圧力は０．２ＭＰａ．Ｇとする。

ここで、空塔速度６４４／ｈ、１０３３／ｈ、及び１４２１／ｈのそれぞれと、活性炭２８の充填率を０％、３３％、６６％、及び１００％のそれぞれの組み合わせ、抑制前後の濃度測定を行う。すなわち、空塔速度種３×活性炭２８の充填率種４なので、１２パターンの実験が実行される。

図５は、１２パターンの実験結果における、熱量変動抑制効果を示したものである。熱量変動抑制効果とは、熱量変動の抑制前変化速度に対する抑制後変化速度の比率であり、以下の（１）式で表すことができる。

・・・（１）

「実験結果」

図４（Ａ）は、実験装置５０において、条件を、空塔速度を６４４／ｈ、活性炭充填率を１００％として行った抑制前後のメタン濃度特性図である。抑制前（点線）は、目標熱量（許容範囲を含む）を、高熱量側及び低熱量側の双方で逸脱していることがわかる。

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の一部の拡大図であり、熱量変動の抑制前の熱量変化速度に比例する変化率（θ１）、及び抑制後の熱量変化速度に比例する変化率（θ２）を求めたものである。

図５は、図３（Ｂ）に示す各条件の下での熱量変動抑制効果を示す特性図である。何れも、熱量変動抑制効果は、４０％を超えており、熱量変動抑制タンク３２が機能を発揮していることがわかる。一方で、活性炭２８の充填率と空塔速度との関係で、熱量変動抑制効果が変化することをわかる。

図４に基づき、実験結果を示す。

（ａ） 熱量変動の抑制前及び抑制後の周期は同一である。但し、初期の活性炭２８へのガス吸着時のタイムラグにより位相は異なる。

（ｂ） 抑制後の方が、抑制前よりも、熱量変化速度が遅い（θ１＜θ２）。

（ｃ） 段落番号００６７の（ａ）の記載のとおり、燃料変動の抑制前及び抑制後で熱量変動の周期は変わらないが、熱量変化速度が遅いということは、振幅（熱量変動）が抑制されるということを示す。

「実験結果の考察」

実験結果において、空塔速度６４４／ｈ〜１０３３／ｈでは、活性炭充填率が０％の熱量変化速度が、活性炭の充填した充填率（３３％、６６％、１００％）に関係なく最も速いため、活性炭充填による効果が発現しているといえる。

一方、空塔速度１４２１／ｈでは、活性炭充填率０％の熱量変化速度が、活性炭の充填した充填率（３３％、６６％、１００％）と比較して、わずかに遅いことから、空塔速度が速くなるにつれて活性炭２８への吸着及び脱着が十分に行われないまま、熱量変動抑制タンク３２を通過して、結果として熱量変動抑制効果が低下したと考えられる。

以上を踏まえ以下のようにまとめることができる。

（１） 空塔速度が遅ければ遅いほど、活性炭２８の充填による熱量変動抑制効果が顕著となる。

（２） 実装時の一般的な空塔速度は、６４４／ｈが適用される。例えば、３００／ｈ程度が一般的である。

（３） 一方、空塔速度が１４２１／ｈになると、活性炭２８を充填することで、熱量変動抑制効果が低下する。

（４） 従って、空塔速度１４２１／ｈ未満を上限しきい値として、ガス供給設備を設計することが好ましく、実用（３００／ｈ）では、活性炭２８の充填は、十分に、熱量変動抑制効果に寄与される。

以上説明したように、活性炭２８が高熱量側に変動した際の熱量変動抑制効果については効果が確認されていたが（特許文献１〜特許文献４参照）、本実施の形態に係る熱量変動抑制タンク３２によれば、例えば、窒素ガスなどの混入によって低熱量側に変動した際にもバッファタンク（活性炭２８が無い条件）と概ね等価の熱量変動抑制効果が確認された。

従って、活性炭２８が充填された本実施の形態の熱量変動抑制タンク３２は、高熱量側から低熱量側までの幅広い熱量変動抑制効果を発揮することかでき、活性炭２８を、高熱量側の熱量変動抑制に限定せず、低熱量側の熱量変動を含めた、高熱量側及び低熱量側への熱量変動抑制として利用することができる。

また、活性炭２８を充填した熱量変動抑制タンク３２は、活性炭２８の無いバッファタンクと比較して、小型で設置面積も小さくできる。

さらに、活性炭２８は物理的な吸脱着が自然に行われるため、抑制効果が経時的に劣化することはない。また、活性炭２８はメンテフリーで、本実施の形態の熱量変動抑制タンク３２は、従来に比較して小サイズであることから、メンテナンス費用なども抑えることが可能である。

１０ 燃料供給システム
１４Ａ、１４Ｂ ＬＮＧ貯槽
１６Ａ、１６Ｂ 配管
１８ 接合部
２０ 配管
２２ 端末機器
２４Ａ、２４Ｂ ＢＯＧ
２６Ａ、２６Ｂ コンプレッサ
２３ 開閉バルブ
２８ 活性炭（多孔質部材）
３０ 空隙
３２ 熱量変動抑制タンク
５０ 実験装置
３２Ａ 熱量変動抑制タンク（実験装置用）
５２ メタンガスタンク
５４ 窒素ガスタンク
５６ 流量調整器
５８ ミキサー
６０ 流量調整器
６２ 上流側配管
６４ 抑制前濃度計
６６ 下流側配管
６８ 抑制後濃度計

Claims (6)

1. 燃料消費機器へ送出される燃料ガスの熱量変動を抑制する熱量変動抑制装置であって、
   前記燃料ガスの熱量変動を抑制するための熱量変動抑制タンクと、
   前記熱量変動抑制タンク内に充填され、前記燃料ガスに含まれる燃焼性ガス及び非燃焼性ガスを吸着及び脱着することで、前記熱量変動抑制タンクと共に、前記燃料ガスの目標範囲の熱量を逸脱する熱量変動を抑制する多孔質部材とを有し、
   前記燃料ガスが、前記燃焼性ガス及び前記非燃焼性ガスの成分比率が異なる２以上のＬＮＧガスを混合することで生成されており、異なる成分比率のＬＮＧガスが合流する界面において発生する熱量変動を、前記熱量変動抑制タンク及び、前記多孔質部材の吸着及び脱着によって抑制することを特徴とする熱量変動抑制装置。
2. 前記燃焼性ガスの主成分がメタンガスであり、前記非燃焼性ガスの主成分が窒素であり、前記燃料ガスが前記熱量変動抑制タンクを通過するときの、空塔速度、ガス圧力、及び、前記多孔質部材の充填率の少なくとも１つを調整することで、前記目標範囲内の熱量の変動に抑制することを特徴とする請求項１記載の熱量変動抑制装置。
3. 前記多孔質部材が活性炭であり、前記活性炭のガス吸脱着による熱量変動抑制効果分、前記熱量変動抑制タンクの空隙部の容積を小さくしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱量変動抑制装置。
4. 燃料消費機器へ送出される燃料ガスの熱量変動を抑制する熱量変動抑制方法であって、
   前記燃料ガスが燃焼性ガス及び非燃焼性ガスの成分比率が異なる２以上のＬＮＧガスを混合することで生成されており、当該燃料ガスを、熱量変動抑制タンクに送り込むことで熱量変動を抑制して排出する際に、当該熱量変動抑制タンクに多孔質部材を充填し、
   前記熱量変動抑制タンクによる熱量変動抑制と共に、異なる成分比率のＬＮＧガスが合流する界面において発生する熱量変動を、前記多孔質部材の前記燃料ガスに含まれる燃焼性ガス及び非燃焼性ガスの吸着及び脱着によって、前記燃料ガスの目標範囲の熱量を逸脱する熱量変動を抑制する、ことを特徴とする熱量変動抑制方法。
5. 前記燃焼性ガスの主成分がメタンガスであり、前記非燃焼性ガスの主成分が窒素であり、前記燃料ガスが前記熱量変動抑制タンクを通過するときの、空塔速度、ガス圧力、及び、前記多孔質部材の充填率の少なくとも１つを調整することで、前記目標範囲内の熱量の変動に抑制することを特徴とする請求項４記載の熱量変動抑制方法。
6. 前記多孔質部材が活性炭であり、前記活性炭によるガスの吸着及び脱着による熱量変動抑制効果分、前記熱量変動抑制タンクの空隙部の容積を小さくしたことを特徴とする請求項４又は請求項５記載の熱量変動抑制方法。