特許 5968252 メタンガス濃縮方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5968252

(24)【登録日】2016年7月15日

(45)【発行日】2016年8月10日

(54)【発明の名称】メタンガス濃縮方法

(51)【国際特許分類】

   C10L 3/10 20060101AFI20160728BHJP

   B01J 20/20 20060101ALI20160728BHJP

   B01J 20/18 20060101ALI20160728BHJP

   B01J 20/22 20060101ALI20160728BHJP

   B01J 20/28 20060101ALI20160728BHJP

   B01J 20/34 20060101ALI20160728BHJP

   B01J 20/10 20060101ALI20160728BHJP

   B01D 53/02 20060101ALI20160728BHJP

   B01D 53/047 20060101ALI20160728BHJP

   C07C 7/12 20060101ALN20160728BHJP

   C07C 9/04 20060101ALN20160728BHJP

【ＦＩ】

   C10L3/10

   B01J20/20 B

   B01J20/18 B

   B01J20/22 A

   B01J20/28 Z

   B01J20/34 B

   B01J20/34 F

   B01J20/10 A

   B01D53/02

   B01D53/047

   B01J20/20 D

   B01J20/18 E

   B01J20/10 C

   !C07C7/12

   !C07C9/04

【請求項の数】4

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2013-41898(P2013-41898)

(22)【出願日】2013年3月4日

(65)【公開番号】特開2014-169383(P2014-169383A)

(43)【公開日】2014年9月18日

【審査請求日】2015年11月25日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000000284

【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107308

【弁理士】

【氏名又は名称】北村 修一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100120352

【弁理士】

【氏名又は名称】三宅 一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100128901

【弁理士】

【氏名又は名称】東 邦彦

(72)【発明者】

【氏名】川嶋 祥太

(72)【発明者】

【氏名】夘瀧 高久

【審査官】 村松 宏紀

(56)【参考文献】

【文献】 特公昭５５−０１２２９５（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 国際公開第２０１１／１１８４０６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ１０Ｌ ３／００−３／１２；８／００

Ｂ０１Ｄ ５３／０２−５３／１２

Ｃ０７Ｂ ３１／００−６３／０４

Ｃ０７Ｃ １／００−４０９／４４

Ｂ０１Ｊ ２０／００−２０／２８１；

２０／３０−２０／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

メタン含有ガス中のメタンガスを吸着する吸着材を充填した吸着塔を４塔以上設けるとともに、
前記吸着塔それぞれについて、
吸着塔下部から大気圧近傍の高圧状態でメタン含有ガスの供給を受けて、前記吸着材にメタンガスを吸着するとともに、空気を主成分とするオフガスを吸着塔上部から放出する吸着工程、
吸着工程を終え、高圧状態にある吸着塔内のガスをより低圧状態の他の吸着塔に移送して吸着塔内を中間圧状態にする均圧（降圧）工程、
均圧（降圧）工程により塔内圧力が低下した後、さらに前記吸着材を低圧状態まで減圧して、前記吸着材に吸着されたメタンガスを脱着させて吸着塔下部から回収する減圧工程、
減圧工程を終え、より高圧状態にある他の吸着塔内からガスを受け入れて吸着塔内を中間圧状態にする均圧（昇圧）工程、
均圧（昇圧）工程により塔内圧力を上昇した後、さらに、前記吸着塔内に吸着塔上部から昇圧用空気を供給して、前記吸着材をメタンガスを選択的に吸着可能な高圧状態に復元する昇圧工程、
を順に繰り返すＰＳＡサイクルを実行するメタンガス濃縮方法であって、
前記吸着材は、
空気中に含まれるメタンガスを大気圧近傍の高圧状態で選択的に吸着して、吸着したメタンガスを低圧状態で脱着する特性を有するとともに、
メタンガスを脱着する際、空気を優先的に脱着する特性を有し、
前記中間圧状態として、吸着塔内圧力の異なる複数の圧力状態が設定され、
前記均圧（降圧）工程として、
高圧状態の吸着塔内のガスを、当該吸着塔より低圧の中間圧状態の他の吸着塔に移送して、吸着塔内の圧力を高圧側の中間圧状態とする初段均圧（降圧）工程と、
低圧状態より高圧の中間圧状態の吸着塔内のガスを、低圧状態の他の吸着塔に移送して、吸着塔内の圧力を低圧側の中間圧状態とする最終均圧（降圧）工程と、
を含み、
前記均圧（昇圧）工程は、
低圧状態の吸着塔内に、前記高圧側の中間圧状態の吸着塔内のガスを受け入れて、吸着塔内の圧力を低圧側の中間圧状態とする初段均圧（昇圧）工程と、
低圧側の中間圧状態の吸着塔内に、高圧状態の他の吸着塔内のガスを受け入れて、吸着塔内の圧力を高圧側の中間圧状態とする最終均圧（昇圧）工程と、
を含み、
前記均圧（降圧）工程を行う吸着塔から、前記均圧（昇圧）工程を行う吸着塔へ、吸着塔上部から吸着塔上部にわたってガスを移送するものであり、
前記吸着塔に、前記吸着塔からメタンガスを回収する回収路が設けられており、前記回収路に開閉弁が設けられており、少なくとも前記減圧工程を終えてから前記吸着工程を開始するまでの間は前記開閉弁が閉じられているメタンガス濃縮方法。

【請求項2】

前記均圧（降圧）工程が、初段均圧（降圧）工程と、最終均圧（降圧）工程とからなるとともに、前記均圧（昇圧）工程が、初段均圧（昇圧）工程と、最終均圧（昇圧）工程とからなり、
前記初段均圧（降圧）工程において吸着塔上部から排出されるガスを前記最終均圧（昇圧）工程を行う吸着塔上部に対して供給し、
前記最終均圧（降圧）工程において吸着塔上部から排出されるガスを前記初段均圧（昇圧）工程を行う吸着塔上部に対して供給する
請求項１に記載のメタンガス濃縮方法。

【請求項3】

前記メタン含有ガスが、炭鉱ガス、バイオガス、改質ガス、天然ガスから選ばれる一種のガスを主成分とするものである請求項１または２に記載のメタンガス濃縮方法。

【請求項4】

前記吸着材は、ＭＰ法による平均細孔直径が４．５〜１５Åで、かつ大気圧および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｍｌ／ｇ以上である活性炭、ゼオライト、シリカゲルおよび有機金属錯体からなる群から選択される少なくとも一種を主成分として含有する請求項１〜３のいずれか一項に記載のメタンガス濃縮方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、メタンガスを吸着する吸着材を充填した吸着塔を４塔以上設けるとともに、
前記吸着塔それぞれについて、
大気圧近傍の高圧状態でメタンガスの供給を受けて、前記吸着材にメタンガスを吸着する吸着工程、
吸着工程を終え、高圧状態にある吸着塔内のガスをより低圧状態の他の吸着塔に移送して吸着塔内を中間圧状態にする均圧（降圧）工程、
均圧（降圧）工程により塔内圧力が低下した後、さらに前記吸着材を低圧状態まで減圧して、前記吸着材に吸着されたメタンガスを脱着させて回収する減圧工程、
減圧工程を終え、より高圧状態にある他の吸着塔内からガスを受け入れて吸着塔内を中間圧状態にする均圧（昇圧）工程、
均圧（昇圧）工程により塔内圧力を上昇した後、さらに、前記吸着塔内に昇圧用ガスを供給して、前記吸着材をメタンガスを選択的に吸着可能な高圧状態に復元する昇圧工程、
を順に繰り返すＰＳＡ（圧力揺動吸着；Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）サイクルを実行するメタンガス濃縮方法に関する。

【背景技術】

【0002】

可燃性ガスを有効に利用する場合には、可燃性ガスが含まれる原料ガスから空気などのガスを分離して、適当な濃度範囲にまで可燃性ガスを濃縮する必要がある。このような可燃性ガスを濃縮する装置や方法は種々提案されているが、メタン含有ガスとして炭鉱から発生するガス（いわゆる炭鉱ガス）を原料ガスとして、この原料ガスから吸着材を用いて空気（主に窒素、酸素、二酸化炭素が含まれる）を分離し、メタンガスを濃縮して利用する発明が提案されている。

【0003】

すなわち、上記特許文献１では、窒素に比べてメタンガスの吸着速度が非常に遅い天然ゼオライトを吸着材として用いて（換言すると、メタンガスに対して窒素、酸素、二酸化炭素を優先的に吸着する吸着材を用いて）、当該吸着材が充填された吸着塔に炭鉱ガスを圧縮機等により所定圧になるまで導入して、炭鉱ガスに含まれる酸素、窒素、二酸化炭素を先に吸着塔の手前部（下部）に吸着させ、吸着塔の奥部（上部）に吸着速度の遅いメタンガスを吸着させて、さらに当該メタンガスを吸着塔の上部から大気圧になるまで放出して、メタンガスを濃縮する装置および方法の発明が提案されている。
これにより、原料ガスとしての炭鉱ガスから、吸着材を用いて空気を分離し、メタンガスを濃縮して、当該濃縮されたメタンガスを燃料等として利用することができるものとされている。

【0004】

つまり、ＰＳＡサイクルとして、前記供給放出手段により前記吸着塔へ前記原料ガスを供給するとともに、前記吸着塔から前記排ガスを放出する可燃性ガス吸着工程と、前記収集手段により脱着される前記可燃性ガスを収集する可燃性ガス脱着工程とを
順次実行させる制御手段を設けた構成が想定される。

【0005】

また、このようなＰＳＡサイクルとして、吸着工程を終え、高圧状態にある吸着塔内のガスをより低圧状態の他の吸着塔に移送して吸着塔内を中間圧状態にする均圧工程、減圧工程を終え、より高圧状態にある他の吸着塔内からガスを受け入れて吸着塔内を中間圧状態にする均圧工程を行うことにより、各吸着塔における昇圧、降圧に要するエネルギー効率を改善するとともに、濃縮すべきガスの回収率を高めることが考えられている。
なお、本発明では均圧工程を行う一対の吸着塔のうち、他の塔にガスを移送させて、内部を降圧させる吸着塔に対しては均圧（降圧）工程、他の塔からのガスを受け入れて、内部を昇圧させる吸着塔に対しては均圧（昇圧）工程と、区別して記述するものとしている。

【0006】

また、さらに、特許文献２には、
メタンガスおよび窒素を吸着する吸着材を充填した吸着塔を４塔設け、
前記吸着塔それぞれについて、
ヘリウム含有メタンガスの供給を受けて、前記吸着材にメタンガスを吸着するとともにヘリウムガスを回収する吸着工程、
吸着工程を終え、高圧状態にある吸着塔内のガスをより低圧状態の他の吸着塔に移送して吸着塔内を中間圧状態にする均圧（降圧）工程、
均圧（降圧）工程により塔内圧力が低下した後、さらに前記吸着材を低圧状態まで減圧して、前記吸着材に吸着されたメタンガスを脱着させる減圧工程、
減圧工程を終え、より高圧状態にある他の吸着塔内からガスを受け入れて吸着塔内を中間圧状態にする均圧（昇圧）工程、
均圧（昇圧）工程により塔内圧力を上昇した後、さらに、前記吸着塔内に昇圧用ガスを供給して、前記吸着材をメタンガスを選択的に吸着可能な高圧状態に復元する昇圧工程、
を行うＰＳＡサイクルを実行する場合に、
前記中間圧状態として、吸着塔内圧力の異なる２つの圧力状態が設定され、
前記均圧（降圧）工程として、
高圧状態の吸着塔内のガスを、当該吸着塔より低圧の中間圧状態の他の吸着塔に移送して、吸着塔内の圧力を高圧側の中間圧状態とする初段均圧（降圧）工程と、
低圧状態より高圧の中間圧状態の吸着塔内のガスを、低圧状態の他の吸着塔に移送して、吸着塔内の圧力を低圧側の中間圧状態とする最終均圧（降圧）工程と、
を含み、
前記均圧（昇圧）工程は、
低圧状態の吸着塔内に、前記高圧側の中間圧状態の吸着塔内のガスを受け入れて、吸着塔内の圧力を低圧側の中間圧状態とする初段均圧（昇圧）工程と、
前記低圧側の中間圧状態の吸着塔内に、高圧状態の他の吸着塔内のガスを受け入れて、吸着塔内の圧力を高圧側の中間圧状態とする最終均圧（昇圧）工程と、
を含むヘリウムガスの濃縮方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開昭５８−１９８５９１号公報

【特許文献2】特表平０２−５０３５５３号公報（特に図３）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

前記特許文献２に開示の技術は、吸着材に吸着されないヘリウムガスを回収するための技術ではあるが、減圧工程において吸着されたメタンガスを回収する技術でもあるので、炭鉱ガスにヘリウムが含まれるか否かに関わらず、炭鉱ガス中のメタンガスを濃縮する技術として利用することができるものと理解できる。

【0009】

しかしながら、上記技術は、吸着材に吸着されなかったヘリウムガスを回収する技術であるから、吸着材に吸着されたメタンを回収する場合に、回収されたメタンの回収率や濃度については検討されておらず、特に回収されるメタンの濃度を向上させるために、特許文献２に開示の技術をどのように適用すべきかについては、運転条件等の種々パラメータについて、回収されるメタン濃度との関係が一切不明であるため、単純に好適な条件を見出すことは困難であり、真に適用可能であるかについても疑問があった。

【0010】

そこで、本発明は、上記実情に鑑み、ＰＳＡによってメタンガスを濃縮する場合に、よりメタン濃度を向上させることができるメタンガス濃縮方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

〔構成１〕
上記目的を達成するための本発明のメタンガス濃縮方法の特徴構成は、
メタン含有ガス中のメタンガスを吸着する吸着材を充填した吸着塔を４塔以上設けるとともに、
前記吸着塔それぞれについて、
吸着塔下部から大気圧近傍の高圧状態でメタン含有ガスの供給を受けて、前記吸着材にメタンガスを吸着するとともに、空気を主成分とするオフガスを吸着塔上部から放出する吸着工程、
吸着工程を終え、高圧状態にある吸着塔内のガスをより低圧状態の他の吸着塔に移送して吸着塔内を中間圧状態にする均圧（降圧）工程、
均圧（降圧）工程により塔内圧力が低下した後、さらに前記吸着材を低圧状態まで減圧して、前記吸着材に吸着されたメタンガスを脱着させて吸着塔下部から回収する減圧工程、
減圧工程を終え、より高圧状態にある他の吸着塔内からガスを受け入れて吸着塔内を中間圧状態にする均圧（昇圧）工程、
均圧（昇圧）工程により塔内圧力を上昇した後、さらに、前記吸着塔内に吸着塔上部から昇圧用空気を供給して、前記吸着材をメタンガスを選択的に吸着可能な高圧状態に復元する昇圧工程、
を順に繰り返すＰＳＡサイクルを実行するメタンガス濃縮方法であって、
前記吸着材は、
空気中に含まれるメタンガスを大気圧近傍の高圧状態で選択的に吸着して、吸着したメタンガスを低圧状態で脱着する特性を有するとともに、
メタンガスを脱着する際、空気を優先的に脱着する特性を有し、
前記中間圧状態として、吸着塔内圧力の異なる複数の圧力状態が設定され、
前記均圧（降圧）工程として、
高圧状態の吸着塔内のガスを、当該吸着塔より低圧の中間圧状態の他の吸着塔に移送して、吸着塔内の圧力を高圧側の中間圧状態とする初段均圧（降圧）工程と、
低圧状態より高圧の中間圧状態の吸着塔内のガスを、低圧状態の他の吸着塔に移送して、吸着塔内の圧力を低圧側の中間圧状態とする最終均圧（降圧）工程と、
を含み、
前記均圧（昇圧）工程は、
低圧状態の吸着塔内に、前記高圧側の中間圧状態の吸着塔内のガスを受け入れて、吸着塔内の圧力を低圧側の中間圧状態とする初段均圧（昇圧）工程と、
低圧側の中間圧状態の吸着塔内に、高圧状態の他の吸着塔内のガスを受け入れて、吸着塔内の圧力を高圧側の中間圧状態とする最終均圧（昇圧）工程と、
を含み、
前記均圧（降圧）工程を行う吸着塔から、前記均圧（昇圧）工程を行う吸着塔へ、吸着塔上部から吸着塔上部にわたってガスを移送するものであり、
前記吸着塔に、前記吸着塔からメタンガスを回収する回収路が設けられており、前記回収路に開閉弁が設けられており、少なくとも前記減圧工程を終えてから前記吸着工程を開始するまでの間は前記開閉弁が閉じられている
点にある。

【0012】

〔作用効果１〕
上記構成によると、上述の従来の可燃性ガス濃縮装置の基本構成を備えているので、前記吸着塔に可燃性ガスを吸着させ、吸着工程と脱着工程とを順次行うことで可燃性ガスの濃縮が行える。

【0013】

上記構成において、吸着材は空気中に含まれるメタンガスを大気圧近傍の高圧状態で選択的に吸着して、吸着したメタンガスを低圧状態で脱着する特性を有するとともに、低圧状態でメタンガスを脱着する際、メタンガス以外のガスを優先的に脱着する特性を有する。すなわち、メタンガスを脱着する際に、脱着開始初期はメタンガスに比して空気が優先的に脱着し始めるものの、脱着操作を継続するに従いメタンガスの脱着割合が増加するという特徴を有する。

【0014】

そのため、吸着工程後に初段均圧（降圧）工程を行うと、吸着塔に供給されたガスのうち、まず、吸着塔内において吸着材の充填されていない空間のガスや、吸着材に未吸着のガスが優先的に吸着塔から排出される。ここで、吸着塔には、吸着塔下部からメタンガスを供給するとともに、オフガスを吸着塔上部から放出するから、その吸着塔内における吸着材に吸着されたメタン濃度は、下部ほど濃く上部ほど薄い状態となっている。そのため、均圧工程中において、吸着材に吸着済みのガスが放出される程度まで吸着塔内が減圧されると、前記吸着材の特性により、吸着材に吸着されたガスのうち空気を優先的に吸着材から放出することもあり、初段均圧（降圧）工程では吸着工程を終えた吸着塔から特にメタン含有率の低いガスを排出され、その後、徐々にメタン濃度の高いガスが排出されることになる。
つまり、前記吸着塔から放出されるガスは、初期ほどメタン濃度が低く、均圧（降圧）工程を繰り返すにつれて濃くなる。
さらに、均圧（降圧）工程を行って、最終均圧（降圧）工程を行う段階では、前記吸着材の特性により、さらにメタン含有率が高いガスが排出されるようになっているから、吸着塔内の吸着材に吸着されているメタンの純度が高められる。
また、前記均圧（降圧）工程を行う吸着塔から、前記均圧（昇圧）工程を行う吸着塔へ、吸着塔上部から吸着塔上部にわたってガスを移送すると、吸着塔内の吸着材に吸着されているメタンの濃度勾配は、上部ほどメタン濃度が薄く下部ほどメタン濃度が高い状態に保持される。

【0015】

そのため、均圧（降圧）工程の後、メタンガスを吸着塔下部から回収する減圧工程を行うと、高濃度のメタンガスを回収しやすくなる。

【0016】

前記均圧（昇圧）工程では、初段均圧（昇圧）工程において、吸着塔は、最終均圧（降圧）工程を行っている吸着塔からのガスを受け入れる。そのため、多段階ある均圧（昇圧）工程のうち先に行われる回ほど吸着塔はメタン濃度の高いガスを受け入れ、回を重ねるにつれてメタン濃度の低いガスを受け入れるようになる。
すると、吸着塔上部から吸着塔上部にわたってガスを移送しているから、前記吸着塔内を昇圧したガスは、吸着塔内の吸着材に、上部ほどメタン濃度が低く、下部ほどメタン濃度が高くなる濃度勾配を形成しやすくなる。

【0017】

そのため、均圧（昇圧）工程の後、昇圧工程を行って、さらに吸着工程を開始するようにすると、その吸着塔内のメタン濃度勾配をくずしにくく、吸着塔の内部に供給されるメタンガスをさらに下部ほどメタン濃度が高くなるように回収することができるとともに、回収されるメタンガスの濃度を高く維持するのに寄与することができる。

【0018】

したがって、上記構成によってメタンガスを濃縮すると、メタンガスの濃度をより高くして回収することができるようになった。

【0019】

また、均圧（降圧）工程を一度だけ行う場合には、均圧（降圧）工程後の吸着塔内圧力は、その吸着塔の最高圧と最低圧とのほぼ中央値にしか達しないが、複数回の均圧工程を経た最終均圧（降圧）工程の後は、吸着塔内の圧力を、その吸着塔の最高圧と最低圧とのほぼ中央値に比べてさらに低下させることができる。
ここで、最高圧は、吸着工程時のガス吸着圧であり、最低圧は、減圧工程時のガス脱着圧力であり、これらは、ガス吸着材毎にそれぞれ固有の特性値を有する。すると、減圧工程の際、吸着材からメタンを脱着させるのに必要となる動力（差圧）は、最終均圧（降圧）工程の後のより低い圧力と、前記最低圧との差圧分だけ必要になる。

【0020】

具体例をあげて説明すると、均圧（降圧）工程を一度だけ行う場合には、最高圧と最低圧との差の約１／２の圧力が減圧工程で減圧すべき差圧となるが、初段均圧（降圧）工程と、最終均圧（降圧）工程とを行えば、均圧工程が２度行われることにより、最高圧と最低圧との差の約１／３の圧力が減圧工程で減圧すべき差圧となる。さらに均圧工程を行えば、均圧工程がｎ度行われることにより、最高圧と最低圧との差の約１／（ｎ＋１）の圧力が減圧工程で減圧すべき差圧となる。

【0021】

すなわち、均圧工程を多く行うほど減圧工程を行う際の負荷を小さくすることができるようになる。
なお、均圧工程の回数を増やすほど、各工程が煩雑になるとともに、総工程時間が長くなり、また、均圧工程の回数の増加による減圧工程負荷低減効果が少なくなるので、均圧（降圧）工程は、初段、最終の２回、もしくは初段、中段、最終の３回程度が実用的である。

【0022】

その結果、上記メタンガス濃縮方法によると、均圧回数毎の差圧を小さくするとともに、減圧工程を行う際の負荷を減少することができると同時に、吸着塔内のメタンガス濃度勾配を適切に維持して、回収されるメタンの濃度を高く維持することができる。

【0023】

〔構成２〕
また、前記均圧（降圧）工程が、初段均圧（降圧）工程と、最終均圧（降圧）工程とからなるとともに、前記均圧（昇圧）工程が、初段均圧（昇圧）工程と、最終均圧（昇圧）工程とからなる場合に、
前記初段均圧（降圧）工程において吸着塔上部から排出されるガスを前記最終均圧（昇圧）工程を行う吸着塔上部に対して供給し、
前記最終均圧（降圧）工程において吸着塔上部から排出されるガスを前記初段均圧（昇圧）工程を行う吸着塔上部に対して供給することが好ましい。

【0024】

〔作用効果２〕
吸着塔内のメタンガス濃度勾配を適切に維持するにあたり、特に具体的な構成として、前記均圧（降圧）工程を行う吸着塔から、前記均圧（昇圧）工程を行う吸着塔へ、吸着塔上部から吸着塔上部にわたってガスを移送するが、前記均圧（降圧）工程、均圧（昇圧）工程をそれぞれ２段で行う場合には、
前記初段均圧（降圧）工程において吸着塔上部から排出されるガスを前記最終均圧（昇圧）工程を行う吸着塔上部に対して供給し、
前記最終均圧（降圧）工程において吸着塔上部から排出されるガスを前記初段均圧（昇圧）工程を行う吸着塔上部に対して供給することによって、吸着塔内のメタンガス濃度勾配を乱すことなく適切に管理することができるとともに、後述の実験結果によっても、精製されるメタンガスの純度を、回収率をあまり低下させずに向上させることができることが明らかになっている。

【0025】

すなわち、均圧（降圧）工程、均圧（昇圧）工程をそれぞれ２段で行う場合には、いずれの均圧工程におけるガス移送も吸着塔下部を利用した場合に比べて１０％近い製品ガス中のメタンガス純度の向上が見られることがわかり、他の組み合わせを検討した結果で、次にメタンガス純度の高かった例に比べても３％程度メタンガス純度の高い製品ガスを得ることができることが明らかになっている。

【0026】

〔構成３〕
また、前記メタン含有ガスが、炭鉱ガス、バイオガス、改質ガス、天然ガスから選ばれる一種のガスを主成分とするものとすることができる。

【0027】

〔作用効果３〕
ここで、炭鉱ガスとは、炭鉱から発生するガスであり、条件により異なるが、炭鉱ガス中には、メタンガス２０〜４０Ｖｏｌ％程度、空気（主として窒素ガス、酸素ガスが含まれる）６０〜８０Ｖｏｌ％程度が含まれている。
また、バイオガスとは、たとえば、メタン発酵槽などを用いて、有機排水等を処理して生成したメタンガスと二酸化炭素とを主成分とするガスであって、条件によって異なるが、メタンガスを４０〜６０Ｖｏｌ％程度、二酸化炭素を２０〜５０Ｖｏｌ％程度含有する。
また、改質ガス、天然ガス等のメタン含有ガスについても、メタンガスを４〜９５Ｖｏｌ％程度含有することが知られており、本発明のメタンガス濃縮方法として好適に用いられることがわかっている。

【0028】

〔構成４〕
また、前記吸着材は、ＭＰ法による平均細孔直径が４．５〜１５Åで、かつ大気圧および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｍｌ／ｇ以上である活性炭、ゼオライト、シリカゲルおよび有機金属錯体からなる群から選択される少なくとも一種を主成分として含有するものが利用できる。

【0029】

〔作用効果４〕
このような吸着材を用いると、メタンガス吸着材に大気圧および２９８Ｋ下でも充分にメタンガスを吸着することができる。
すなわち、大気圧および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｍｌ／ｇより低いと、低圧（特に大気圧程度）でのメタンガス吸着性能が低下して、濃縮後のメタンガスの濃度が低下するとともに、吸着性能を維持するには、メタンガス吸着材の増量が必要となり装置が大型化する。なお、上記メタンガス吸着量の上限は特に制限されないが、現状で得られるメタンガス吸着材のメタンガス吸着量は４０Ｎｍｌ／ｇ以下程度である。また、ＭＰ法における平均細孔直径が４．５Åより小さいと、酸素ガス、窒素ガスの吸着量が増え、濃縮後における炭鉱ガス中のメタン濃度が低下したり、平均細孔直径がメタンガス分子径に近くなり吸着速度が遅くなってメタンガス吸着性能が低下したり、吸着しなくなる。一方、ＭＰ法における平均細孔直径が１５Åより大きいと、低圧（特に大気圧程度）でのメタンガス吸着性能が低下して、濃縮後のメタンガスの濃度が低下するとともに、吸着性能を維持するには、メタンガス吸着材の増量が必要となり装置が大型化する。

【発明の効果】

【0030】

したがって、より高濃度のメタンガスを回収できるようになり、従来再利用することが困難であった炭鉱ガスを有効利用することができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】メタン濃縮装置の概略図

【図2】メタン濃縮方法に対応するメタン濃縮装置の動作を示す図

【図3】図２の方法を行う場合の吸着塔内の圧力の推移を示す図

【図4】吸着材のメタン吸着特性を示す図

【図5】吸着塔内に吸着されるメタン濃度分布の推移を示す図

【図6】従来の吸着塔を３塔備えたメタン濃縮装置の概略図

【図7】従来の吸着塔を３塔備えたメタン濃縮装置によるメタン濃縮方法を示す図

【図8】図７の方法を行う場合の吸着塔内の圧力の推移を示す図

【図9】下部均圧路を備えたメタン濃縮装置の概略図

【図10】吸着塔を５塔備えたメタン濃縮装置の概略図

【図11】吸着塔を５塔備えたメタン濃縮装置によるメタン濃縮方法を示す図

【図12】図１１の方法を行う場合の吸着塔内の圧力の推移を示す図

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下に、本発明のメタンガス濃縮方法を説明する。なお、以下に好適な実施例を記すが、これら実施例はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。

【0033】

〔メタン濃縮装置〕
メタン濃縮装置は、図１に示すように、吸着材Ａ１１〜Ａ４１を充填した吸着塔Ａ１〜Ａ４と、原料ガスタンクＴ１から炭鉱ガスを供給するとともに排ガスを放出する供給部１および放出部２と、濃縮後のメタンガスを製品ガスタンクＴ３に回収する回収部３と、供給部１、放出部２、回収部３の運転を制御する制御装置Ｃを設けて構成してある。

【0034】

なお、前記吸着材Ａ１１〜Ａ４１としては、メタンガス等の可燃性ガスを選択的に吸着できれば、特に制限されないが、大気圧および２９８Ｋ下においてメタンガスを選択的に吸着できるメタンガス吸着材２１ａを用いることで、当該メタンガス吸着材２１ａに大気圧および２９８Ｋ下でも充分にメタンガスを吸着することができる。

【0035】

吸着材２１として、ＭＰ法による平均細孔直径が４．５〜１５Åで、かつ大気圧および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｍｌ／ｇ以上である活性炭、ゼオライト、シリカゲルおよび有機金属錯体（フマル酸銅、テレフタル酸銅、シクロヘキサンジカルボン酸銅など）からなる群から選択される少なくとも一つであるメタンガス吸着材２１ａを用いるとよい。なお、上記平均細孔直径として好ましくは、４．５〜１０Å、より好ましくは、５〜９．５Åがよく、また、上記メタンガス吸着量が好ましくは、２５Ｎｍｌ／ｇ以上がよい。

【0036】

具体的には、例えば、椰子殻または椰子殻炭を窒素ガス中において６００℃で完全に炭化した炭化物を粒径１〜３ｍｍの大きさに破砕したものを炭素質材料とし、内径５０ｍｍのバッチ式流動賦活炉を用いて、水蒸気１０〜１５Ｖｏｌ％、二酸化炭素１５〜２０Ｖｏｌ％および残余が窒素である雰囲気下において、８６０℃で賦活することにより得られる。このような活性炭は、空気中に含まれるメタンガスを大気圧近傍の高圧状態で選択的に吸着して、吸着したメタンガスを大気圧よりも低い減圧状態である低圧状態で脱着する特性を有するとともに、メタンガスを脱着する際、空気を優先的に脱着する特性を有し、図４に示すような吸着特性を有する。

【0037】

〔吸着塔〕
吸着塔Ａ１〜Ａ４は、それぞれ、吸着材Ａ１１〜Ａ４１を充填してなるとともに、原料ガスタンクＴ１から供給ポンプＰ１により炭鉱ガスを供給する供給路Ｌ１１〜Ｌ４１を各吸着塔Ａ１〜Ａ４の下部に設けて供給部１を構成するとともに、吸着塔Ａ１〜Ａ４に供給された炭鉱ガスのうちメタン濃度の非常に低い、主に窒素ガス、酸素ガスからなる排ガスを放出する放出路Ｌ１２〜Ｌ４２を各吸着塔Ａ１〜Ａ４の上部に設けて放出部２を構成してあり、供給部１から吸着塔Ａ１〜Ａ４に炭鉱ガスを供給するとともに、吸着材Ａ１１〜Ａ４１に吸着されなかった排ガスを放出部２から排出することによって、吸着材Ａ１１〜Ａ４１にメタンガスを吸着して排ガスと分離可能に構成してある。また、前記吸着塔Ａ１〜Ａ４には、吸着材Ａ１１〜Ａ４１に吸着されたメタンガスを回収する回収路Ｌ１３〜Ｌ４３を各吸着塔Ａ１〜Ａ４の下部に設けて前記回収部３を構成してあり、供給部１から供給された炭鉱ガスのうち吸着材Ａ１１〜Ａ４１に吸着され、濃縮後の高濃度のメタンガスを取出し可能に構成する。前記回収部３は、前記吸着塔Ａ１〜Ａ４から前記回収路Ｌ１３〜Ｌ４３を介して製品ガスタンクＴ３に高濃度のメタンガスを取出す真空ポンプＰ３を設けて構成してある。

【0038】

また、各吸着塔Ａ１〜Ａ４の上部には、各吸着塔Ａ１〜Ａ４に昇圧用空気を供給するための昇圧路Ｌ１４〜Ｌ４４を各吸着塔Ａ１〜Ａ４の上部に接続して、昇圧部４を構成してある。さらに、各吸着塔Ａ１〜Ａ４間を接続する均圧路Ｌ１５〜Ｌ４５を各吸着塔Ａ１〜Ａ４の上部に接続して、吸着塔Ａ１〜Ａ４上部から吸着塔Ａ１〜Ａ４上部に吸着塔Ａ１〜Ａ４内部のガスを他の吸着塔Ａ１〜Ａ４に移送する均圧部５を構成してある。
なお、各ガス路Ｌ１１〜Ｌ４５には、切替弁Ｖ１１〜４５を設けてあり、各ポンプＰ１，Ｐ３の動作により、各吸着塔Ａ１〜Ａ４へのガスの供給、排出、停止の切替を、制御装置Ｃから一括して制御可能に構成してある。

【0039】

〔メタンガス濃縮方法〕
前記制御装置Ｃは、図２に示すように、前記各切替弁Ｖ１１〜Ｖ４５および各ポンプＰ１，Ｐ３を制御して、各吸着塔Ａ１〜Ａ４で、
吸着塔Ａ１〜Ａ４下部から大気圧近傍の高圧状態でメタンガスの供給を受けて、前記吸着材Ａ１１〜Ａ４１にメタンガスを吸着するとともに、空気を主成分とするオフガスを吸着塔Ａ１〜Ａ４上部から放出する吸着工程、
高圧状態の吸着塔Ａ１〜Ａ４内の、比較的メタン濃度の低いガスを、当該吸着塔Ａ１〜Ａ４より低圧の中間圧状態の他の吸着塔Ａ１〜Ａ４に移送して、吸着塔Ａ１〜Ａ４内の圧力を高圧側の中間圧状態とする初段均圧（降圧）工程、
待機工程
低圧状態より高圧の中間圧状態の吸着塔Ａ１〜Ａ４内の、初段均圧（降圧）工程に比べてメタン濃度のやや高められたガスを、低圧状態の他の吸着塔Ａ１〜Ａ４に移送して、吸着塔Ａ１〜Ａ４内の圧力を低圧側の中間圧状態とする最終均圧（降圧）工程と、
均圧（降圧）工程により塔内圧力が低下した後、さらに前記吸着材Ａ１１〜Ａ４１を低圧状態まで減圧して、前記吸着材Ａ１１〜Ａ４１に吸着されたメタンガスを脱着させて吸着塔Ａ１〜Ａ４下部から回収する減圧工程、
低圧状態の吸着塔Ａ１〜Ａ４内に、前記高圧側の中間圧状態の吸着塔Ａ１〜Ａ４内のガスを受け入れて、吸着塔Ａ１〜Ａ４内の圧力を低圧側の中間圧状態とする初段均圧（昇圧）工程と、
低圧側の中間圧状態の吸着塔Ａ１〜Ａ４内に、高圧状態の他の吸着塔Ａ１〜Ａ４内のガスを受け入れて、吸着塔Ａ１〜Ａ４内の圧力を高圧側の中間圧状態とする最終均圧（昇圧）工程と、
待機工程
均圧（昇圧）工程により塔内圧力を上昇した後、さらに、前記吸着塔Ａ１〜Ａ４内に吸着塔Ａ１〜Ａ４上部から昇圧用空気を供給して、前記吸着材Ａ１１〜Ａ４１をメタンガスを選択的に吸着可能な高圧状態に復元する昇圧工程、
を順に行うように運転制御する。

【0040】

また、このような制御により、各吸着塔Ａ１〜Ａ４の内部圧力の変化は図３のように推移する。

【0041】

具体的には、吸着塔Ａ１に対して以下のように制御を行う。他の吸着塔Ａ２〜Ａ４についても位相をずらせて同様の動作を行うことになるが、説明が重複するので図２の説明をもって詳細な説明を省略する。なお、以下では、吸着塔Ａ１〜Ａ４をこの順に第一〜第四吸着塔Ａ１〜Ａ４と呼ぶものとする。また、図２において、各工程における各開閉弁等の開閉状態についての対応付けをしてまとめてある。なお、図２において、上図に各工程の内容を順に示すとともに下図で各工程における配管流路の切換状況を示す。また各工程で用いられる開閉弁等は、該当ステップを上図と同じハッチングで塗り開弁状態であることを示している。

【0042】

＜１〜３＞吸着工程
第一吸着塔Ａ１に、原料ガスタンクＴ１より炭鉱ガスを導入する。このとき第一吸着塔Ａ１内の圧力は、図３に示すようにほぼ大気圧で、供給ポンプＰ１の供給圧分やや昇圧された大気圧近傍の高圧状態で維持されるとともに、供給路Ｌ１１の切替弁Ｖ１１を介して原料ガスタンクＴ１から供給される炭鉱ガス中のメタンガスを前記吸着材Ａ１１に吸着させつつ、残余の排ガスを放出路Ｌ１２の切替弁Ｖ１２を介して排出する。

【0043】

なお、図２に示すように、このとき第二吸着塔Ａ２では＜１＞最終均圧（昇圧）工程を行うとともに、＜２＞待機工程を挟んで、＜３＞昇圧工程に移行している。
また、第三吸着塔Ａ３では、減圧工程の後、初段均圧（昇圧）工程を行っている。
さらに、第四吸着塔Ａ４では、初段均圧（降圧）工程を行うとともに、待機工程を挟んで、最終均圧（降圧）工程に移行している。

【0044】

＜４＞初段均圧（降圧）工程
吸着工程を終えた第一吸着塔Ａ１では、最終均圧（昇圧）工程を行う第三吸着塔Ａ３との間で初段均圧（降圧）工程を行う。すなわち、均圧路Ｌ１５の切替弁Ｖ１５を介して、塔内の非吸着ガスを排出し、均圧路Ｌ３５の切替弁Ｖ３５を介して第三吸着塔Ａ３に移送する構成となっている。これにより第一吸着塔Ａ１は、図３に示すように、低圧側の中間圧状態の第三吸着塔Ａ３と圧力平衡が行われ、高圧側の中間圧状態に移行する。

【0045】

なお、このとき、図２に示すように各開閉弁等を動作させて、第二吸着塔Ａ２では吸着工程を行っており、第四吸着塔Ａ４では減圧工程を行っている。

【0046】

＜５＞待機工程
次に、第一吸着塔Ａ１は待機状態となり、最も長時間を要する吸着工程との時間バランスをはかるとともに、高圧側の中間圧状態が維持される。このとき、第二吸着塔Ａ２は吸着工程を行っており、また、第三吸着塔Ａ３も待機工程にあり、第四吸着塔Ａ４は減圧工程を継続している。

【0047】

＜６＞最終均圧（降圧）工程
次に、第一吸着塔Ａ１は、減圧工程を終え、初段均圧（昇圧）工程を行う第四吸着塔Ａ４との間で最終均圧（降圧）工程を行う。すなわち、均圧路Ｌ１５の切替弁Ｖ１５を介して、塔内の非吸着ガスおよび吸着材Ａ１１からの空気を主成分とする初期脱離ガスを排出し、均圧路Ｌ４５の切替弁Ｖ４５を介して第四吸着塔Ａ４に移送する構成となっている。これにより、第一吸着塔Ａ１は、図３に示すように、減圧工程を終えて低圧状態の第四吸着塔Ａ４と圧力平衡が行われ、低圧側の中間圧状態に移行する。

【0048】

なお、このとき、図２に示すように各開閉弁等を動作させて、第二吸着塔Ａ２は吸着工程を行っており、第三吸着塔Ａ３は昇圧工程を行っている。

【0049】

＜７〜８＞減圧工程
低圧側の中間圧状態に達した第一吸着塔Ａ１は、塔内の吸着材Ａ１１に高濃度のメタンガスを吸着している状態になっており、塔内を低圧側の中間圧状態から低圧状態にまで減圧する減圧工程を行うことにより、吸着材Ａ１１に吸着された高濃度のメタンガスを回収する。すなわち、回収路Ｌ１３の切替弁Ｖ１３を介して真空ポンプＰ３の動力により製品ガスタンクＴ３に濃縮されたメタンガスを回収する。これにより、第一吸着塔Ａ１は、図３に示されるように、低圧側の中間圧状態から低圧状態に移行する。
このときの真空ポンプＰ３の負荷は、低圧側の中間圧状態から低圧状態までの差圧分であるから、従来の中間圧から低圧状態まで圧力を低下させるのに比べて、少なくなっている。

【0050】

なお、このとき、図２に示すように各開閉弁等を動作させて、第二吸着塔Ａ２では第四吸着塔Ａ４との間で、＜７＞初段均圧（降圧）工程を行い、＜８＞待機工程になる。
また、第三吸着塔Ａ３では吸着工程を進行している。
さらに、第四吸着塔Ａ４では＜７＞最終均圧（昇圧）工程を行い、＜８＞待機工程に移行する。

【0051】

＜９＞初段均圧（昇圧）工程
低圧状態となって、吸着したメタンガスを放出し、吸着材Ａ１１を再生された第一吸着塔Ａ１では、第二吸着塔Ａ２との間で初段均圧（昇圧）工程を行うことにより、塔内の圧力を回復するとともに、第二吸着塔Ａ２における最終均圧（降圧）工程で排出された、吸着材Ａ１１からの初期脱離ガスによりメタン濃度の高められた排ガスを受け入れる。すなわち、均圧路Ｌ１５〜Ｌ２５において、切替弁Ｖ１５、Ｖ２５を介して高圧側の中間圧状態の第二吸着塔Ａ２から排出される塔内ガスを受け入れる。これにより第一吸着塔Ａ１は、図３に示すように、低圧状態から低圧側の中間圧状態にまで圧力を回復する。

【0052】

なお、このとき、図２に示すように各開閉弁等を動作させて、第三吸着塔Ａ３では、吸着工程を継続しており、第四吸着塔Ａ４では昇圧工程を行っている。

【0053】

＜１０＞最終均圧（昇圧）工程
低圧側の中間圧状態にまで圧力を回復した第一吸着塔Ａ１は、次に吸着工程を終えた直後で初段均圧（降圧）工程を行う第三吸着塔Ａ３との間で最終均圧（昇圧）工程を行うことにより、さらに塔内の圧力の回復を図る。すなわち、均圧路Ｌ１５〜Ｌ３５において、切替弁Ｖ１５、Ｖ３５を介して、高圧状態の第三吸着塔Ａ３から排出される塔内ガスを受け入れる。これにより第一吸着塔Ａ１は、図３に示すように、低圧側の中間圧状態から高圧側の中間圧状態にまで圧力を回復する。

【0054】

なお、このとき、図２に示すように各開閉弁等を動作させて、第二吸着塔Ａ２では減圧工程を行っており、第四吸着塔Ａ４では吸着工程を行っている。

【0055】

＜１１＞待機工程
次に、第一吸着塔Ａ１は待機状態となり、最も長時間を要する吸着工程との時間バランスをはかるとともに、高圧側の中間圧状態が維持される。このとき、第二吸着塔Ａ２は減圧工程を行っており、また、第三吸着塔Ａ３も待機工程にあり、第四吸着塔Ａ４は吸着工程を継続している。

【0056】

＜１２＞昇圧工程
高圧側の中間圧状態にまで圧力を回復した第一吸着塔Ａ１は、空気を圧入することにより大気圧近傍の高圧状態にまで圧力を復元される。すなわち、切替弁Ｖ１４を介して昇圧路Ｌ１４から第一吸着塔Ａ１に大気を流入させる。これにより、第一吸着塔Ａ１内部は高圧状態近傍の大気圧まで復元され、炭鉱ガスを供給することにより炭鉱ガス中のメタンガスを吸着可能な状態に再生される。

【0057】

なお、このとき、図２に示すように各開閉弁等を動作させて、第二吸着塔Ａ２では、初段均圧（昇圧）工程を行い、第三吸着塔Ａ３では、最終均圧（降圧）工程を行い相互に均圧を行っている。また、第四吸着塔Ａ４では吸着工程を行っている。

【0058】

＜吸着塔内のメタンガス濃度分布の推移＞
上述の各工程を行っている間の第一吸着塔Ａ１内のメタンガス濃度分布は図５のように推移するものと考えられる。

【0059】

すなわち、吸着工程において中程度のメタン濃度の炭鉱ガスを吸着塔内に供給すると、メタンガスをほとんど含まない排ガスが排出されることにより、塔内のメタン濃度が上昇する。

【0060】

排出される排ガス中のメタン濃度がある閾値に達すると、吸着工程を終了し、初段均圧（降圧）工程に移行する。この状態では、第一吸着塔Ａ１内に供給されるガスはなく、塔内には、膨張、拡散と、吸着材Ａ１１に吸着したガスの初期脱離ガスによるガス移動のみが起きる。すると、第一吸着塔Ａ１上部から、第一吸着塔Ａ１内のヘッダスペース等に残留する非吸着ガスを主成分とする比較的低濃度のメタンを含有するガスが、第一吸着塔Ａ１外に排出される。

【0061】

この後、待機工程を経て、最終均圧工程を行う段階では、第一吸着塔Ａ１内で吸着材Ａ１１から脱着した初期脱離ガスの含まれるメタンガス濃度がやや高い程度の中濃度のメタン含有ガスが第一吸着塔Ａ１外に排出されることになる。すると、この時点で第一吸着塔Ａ１下部にはメタン濃度の高い領域が広範囲に形成されるとともに、上部に中濃度のメタンを含有するガスが保持された状態になる。

【0062】

この状態で減圧工程を行えば、第一吸着塔Ａ１下部より高濃度のメタンガスを取り出すことができる。メタンガスは、所定濃度範囲で回収されるが、第一吸着塔Ａ１内には、下部ほどメタンガス濃度が高くなる濃度分布で、メタンが吸着材Ａ１１に吸着されている状態となる。

【0063】

減圧工程の後、初段均圧（昇圧）工程を行うと、第一吸着塔Ａ１内に中濃度のメタンを含有するガスが流入する。このガスは、吸着材Ａ１１に吸着されながら下方に移動するが、第一吸着塔Ａ１下部は封鎖した状態であるので、基本的には、第一吸着塔Ａ１上部の吸着材Ａ１１に中濃度のメタンガスが吸着される傾向があるものの、塔内全体に拡散吸着されるように流入し、第一吸着塔Ａ１内全体のメタン濃度を上昇させるように充填される傾向が強い。そのため、第一吸着塔Ａ１下部ほどメタンガス濃度が高くなる濃度分布で、メタンが吸着材Ａ１１に吸着されている状態は維持され、中濃度のメタンを含有するガスの拡散移動速度分だけ第一吸着塔Ａ１上部と下部とにおける濃度差が緩和される。

【0064】

さらに、最終均圧（昇圧）工程を行うと、第一吸着塔Ａ１内に低濃度のメタンを含有するガスが流入する。すると、塔上部の濃度ムラを拡散させながら塔内全体の濃度分布を、第一吸着塔Ａ１下部ほどメタンガス濃度が高くなるように濃度分布が維持される。さらに昇圧工程を行っても同様に、メタンを含まない空気が上部から供給されることになるので、第一吸着塔Ａ１下部ほどメタンガス濃度が高くなる濃度分布が維持される。

【0065】

また、塔内圧力が降圧になるほど、第一吸着塔Ａ１内に導入されるガスの第一吸着塔Ａ１内への拡散速度は遅くなるから、メタン濃度の低いガスや空気ほど、塔上部に残留する傾向が高くなるので、均圧（昇圧）工程を分割して行う回数が多いほど、第一吸着塔Ａ１下部ほどメタンガス濃度が高くなる濃度分布が急勾配になる傾向を示すとも考えられる。

【0066】

したがって、均圧（降圧）工程では、次第にメタン濃度が高くなるように順次塔内からガスを排出し、逆に均圧（昇圧）工程では、次第にメタン濃度が低くなるように順次塔内にガスを導入するため、減圧工程において回収されるメタンガスは、常に塔内で最もメタン濃度の高い領域から回収されることになるため、回収されるメタンガス濃度を高くすることができるようになった。

【0067】

〔実施例〕
下記吸着塔を４本用意し、その内部に下記吸着材Ａ１１〜Ａ４１を充填して、それぞれの吸着塔を図１に示すように配管接続したメタン濃縮装置を用意した。このメタン濃縮装置に、模擬炭鉱ガスを１７L/分で供給し、下記運転条件にて、図２，３のメタンガスの濃縮運転を行った。

【0068】

吸着塔：円筒型（内径５４ｍｍ、容積４．５９７Ｌ）
：４本

【0069】

吸着材：活性炭
椰子殻または椰子殻炭を窒素ガス中において６００℃で完全に炭化した炭化物を粒径１〜３ｍｍの大きさに破砕したものを炭素質材料とし、内径５０ｍｍのバッチ式流動賦活炉を用いて、水蒸気１０〜１５Ｖｏｌ％、二酸化炭素１５〜２０Ｖｏｌ％および残余が窒素である雰囲気下において、８６０℃で賦活することにより得られたもの。
細孔直径、：８．５Å（ＭＰ法による平均細孔直径）
細孔容積、：０．４５ｍｌ／ｇ（ＨＫ法により測定した容積）
全細孔容積に対する平均細孔直径の１０Å以下の細孔容積の割合
：８３％（相対圧０．０１３下での窒素吸着量割合は同じ）
比表面積：１０２５ｍ²／ｇ（ＢＥＴ法により測定した比表面積）
大気圧２９８Ｋにおけるメタンガス吸着容量：２７ＮｍL／ｇ

【0070】

模擬炭鉱ガス：メタン ２０％
：窒素 ８０％

【0071】

運転条件
流速：１７L/分
ガス吸着圧力（ゲージ圧力）： １４ｋＰａ
ガス脱着圧力（ゲージ圧力）：−９９ｋＰａ
吸着工程の終了条件：排ガス中のメタン濃度が３体積％になるまで(１４４秒)

【0072】

その結果、製品ガスとしてメタン濃度５７．１体積％のメタンガスを５．１Ｌ/分で得ることができた。

【0073】

〔比較例１〕３塔ＰＳＡとの比較
本発明のメタン濃縮装置の性能を評価するために従来のＰＳＡ装置を用いてメタンガス濃縮運転を行った。具体的には、下記吸着塔Ａ１〜Ａ３を３本用意し、その内部に下記吸着材Ａ１１〜Ａ３１を充填して、それぞれの吸着塔Ａ１〜Ａ３を図６に示すように配管接続したメタン濃縮装置を用意した。このメタン濃縮装置に、模擬炭鉱ガスを１７L/分で供給し、下記運転条件にて、図７，８のメタンガスの濃縮運転を行った。なお、図６〜図８において、先の実施の形態（図１〜３）と同様の構成については、同一の符号および名称を付し、説明に代える。

【0074】

吸着塔：円筒型（内径５４ｍｍ、容積４．５９７Ｌ）
：３本

【0075】

吸着材：活性炭（実施例と同じもの）

【0076】

模擬炭鉱ガス：メタン ２０％
：窒素 ８０％（実施例と同じもの）

【0077】

運転条件
流速：１７L/分
ガス吸着圧力（ゲージ圧力）： １４ｋＰａ
ガス脱着圧力（ゲージ圧力）：−９９ｋＰａ
吸着工程の終了条件：排ガス中のメタン濃度が３体積％になるまで
（実施例と同じ）
(１７９秒)

【0078】

その結果、製品ガスとしてメタン濃度５４．１体積％のメタンガスを５．４Ｌ/分で得ることができた。

【0079】

この結果を比較すると、実施例に示すとおり、本発明のメタン濃縮方法を行うことにより、吸着工程の終了時間が短くなるものの、得られる製品ガスのメタンガス濃度は約３％高められる結果となり、メタンガスの高度濃縮が可能になった。
また、比較例１では、真空ポンプの負荷は６７ｋＰａであったのに対して、実施例では約３８ｋＰａ程度の負荷でメタンガスの脱着を行えるとともに、得られる製品ガス流量は大きくは変化しないことがわかり、メタン濃縮運転に要する動力を大きく削減することができるようになった。

【0080】

〔比較例２〕均圧工程の均圧路接続形態による影響
上記メタンガス濃縮方法を行うにあたって、各均圧操作を各吸着塔上部において行ったが、均圧操作を行う経路によるメタン濃縮効果への影響を調べた。

【0081】

具体的には、図９のように各吸着塔Ａ１〜Ａ４の下部に切替弁Ｖ１６〜Ｖ４６を備えた下部均圧路Ｌ１６〜Ｌ４６を設けるとともに、均圧路Ｌ１５〜Ｌ４５および下部均圧路Ｌ１６〜Ｌ４６を接続する移流路Ｌ５６を設けて均圧部５を構成した以外は、実施例（図１）と同様のメタン濃縮装置を構成し、各切替弁Ｖ１１〜Ｖ４６の切替制御により、いずれの吸着塔Ａ１〜Ａ４の上下いずれ側からも、他の吸着塔Ａ１〜Ａ４の上下いずれ側への塔内のガスを移流可能に構成した。

【0082】

このような構成により、前記均圧（降圧）工程を行う吸着塔から、前記均圧（昇圧）工程を行う吸着塔へ、ガスを移送する移送形態を種々変更して得られた製品ガスの濃度を比較したところ、表１のようになった。

【0083】

【表1】

【0084】

表１より、上記メタンガス濃縮方法を行う場合、前記均圧（降圧）工程を行う吸着塔から、前記均圧（昇圧）工程を行う吸着塔へ、ガスを移送する移送形態としては、上部から上部に塔内ガスを移流させる形態が特に好ましいことが明らかになった。

【0085】

すなわち、均圧（降圧）工程、均圧（昇圧）工程をそれぞれ２段で行う場合には、いずれの均圧工程におけるガス移送も吸着塔下部を利用した場合に比べて１０％近い製品ガス中のメタンガス純度の向上が見られることがわかり、他の組み合わせも検討したが、次にメタンガス純度の高かった例は、特許文献２に示されている、最終均圧（降圧）工程を行う吸着塔上部から初段均圧（昇圧）工程を行う吸着塔下部へのガス移送を行い、初段均圧（降圧）工程を行う吸着塔上部から最終均圧（昇圧）工程を行う吸着塔上部へのガス移送を行う場合であったが、これに比べても３％程度メタンガス純度の高い製品ガスを得ることができることが明らかになった。

【0086】

〔その他の実施形態〕
前の実施の形態においては、昇圧工程を大気圧まで行ったが、塔内圧を大気圧よりもやや高い値まで昇圧する必要がある場合には、昇圧路にブロワやポンプを設けて構成すると、運転効率を高めることができ有利である。

【0087】

また、先の実施形態の構成では、放出部２から排出される排ガスは、そのまま大気中に放出される構成となるが、前記放出路にオフガスタンクを設けて排ガスを一時貯留する構成としてもよい。この排ガスは、昇圧用空気として用いることもできる。

【0088】

また、メタンを吸着する吸着材としては、先述のものに限らず、図４に示すような、空気中に含まれるメタンガスを高圧状態で選択的に吸着して、吸着したメタンガスを低圧状態で脱着する特性を有するとともに、メタンガスを脱着する際、空気を優先的に脱着する吸着特性を有するものであれば有利に利用することができ、種々公知の吸着材を適用することができる。
ただし上述の、ＭＰ法による平均細孔直径が４．５〜１５Åで、かつ大気圧および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｍｌ／ｇ以上である活性炭は、上記メタンガス濃縮方法を行う場合に、特に効果が高いことが明らかである。

【0089】

なお、上記実施の形態では吸着塔を４塔用いた例を示したが、５塔以上の吸着塔を用いた場合も同様のメタンガス濃縮方法を実施することができる。

【0090】

たとえば５塔用いた場合は図１０に示すように、構成し、図１１，１２に示す運転形態をとることができる。なお、ここでは詳細な説明を省略するが、図１１，１２に記載のメタンガス濃縮方法の動作は、図２，３に示した実施の形態に示すメタンガス濃縮方法の動作と対応しており、図１０〜図１２において、先の実施の形態（図１〜３）と同様の構成については、同一の符号および名称を付し、説明に代える。ここで、前の実施の形態と異なる点として、均圧（降圧）工程、均圧（昇圧）工程について以下説明する。

【0091】

図１２より、吸着工程を行う高圧状態と、減圧工程を行う低圧状態との間に中間圧状態として、吸着塔内圧力の異なる第一、第二、第三圧力状態が設定され、この順に圧力が高いものとすると、
高圧状態の吸着塔内のガスを、当該吸着塔より低圧の中間圧状態の他の吸着塔に移送して、吸着塔内の圧力を高圧側の中間圧状態とする操作は、高圧状態の吸着塔から第二圧力状態の吸着塔に吸着塔内のガスを移送して第一圧力状態となる初段均圧（降圧）工程に対応し、
最終均圧（降圧）工程において、低圧状態より高圧の中間圧状態の吸着塔内のガスを、低圧状態の他の吸着塔に移送して、吸着塔内の圧力を低圧側の中間圧状態とする操作は、第二圧力状態の吸着塔から低圧状態の吸着塔にガスを移送して第三圧力状態となる最終均圧（降圧）工程に対応していることがわかり、
加えて中段均圧（降圧）工程として、第一圧力状態の吸着塔内のガスを第三圧力状態の吸着塔に移送して、吸着塔内の圧力を第二圧力状態とする工程が均圧（降圧）工程に含まれている。
均圧（昇圧）工程についても同様である。

【産業上の利用可能性】

【0092】

本発明のメタンガス濃縮方法は、従来廃棄されていた炭鉱ガスからメタンガスを回収、濃縮再利用するのに利用することができる。

【符号の説明】

【0093】

１ ：供給部
２ ：放出部
３ ：回収部
４ ：昇圧部
５ ：均圧部
Ａ１ ：第一吸着塔
Ａ２ ：第二吸着塔
Ａ３ ：第三吸着塔
Ａ４ ：第四吸着塔
Ｃ ：制御装置
Ｌ１１ ：供給路
Ｌ１２ ：放出路
Ｌ１３ ：回収路
Ｌ１４ ：昇圧路
Ｌ１５ ：均圧路
Ｌ１６ ：下部均圧路
Ｌ５６ ：移流路
Ｐ１ ：供給ポンプ
Ｐ３ ：真空ポンプ
Ｔ１ ：原料ガスタンク
Ｔ３ ：製品ガスタンク
Ｖ１１〜Ｖ４６：切替弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】