CN102712859B - 可燃性气体浓缩装置 - Google Patents

Abstract

一种可燃性气体浓缩装置，在浓缩可燃性气体时将原料损失抑制为最小限度并且能够有效地将可燃性气体浓缩为高浓度，为此，设置填充吸附材料（21）的吸附塔（2），设置供给含有可燃性气体以及空气的原料气体（G）的供给放出机构（31），设置将吸附于吸附材料（21）的可燃性气体解吸并收集的收集机构（51），设置顺次进行可燃性气体吸附工序和可燃性气体解吸工序的控制机构（6），设置检测原料气体中的可燃性气体浓度的检测机构（33），设置基于上述检测机构（33）的可燃性气体检测浓度而变更上述控制机构（6）令上述吸附工序结束的吸附结束时刻的运转条件设定部（63）。

Description

可燃性气体浓缩装置

技术领域

本发明涉及一种将含有可燃性气体以及空气的原料气体供给至吸附塔而将可燃性气体吸附并浓缩的可燃性气体浓缩装置。

背景技术

在有效地利用可燃性气体时需要从含有可燃性气体的原料气体将空气等的气体分离而将可燃性气体浓缩至适当的范围。对于这样的浓缩可燃性气体的装置及方法提出有各种方案。但是，在例如专利文献1中，将含有作为可燃性气体的甲烷气体的从煤矿产生的气体（所谓的矿井气体）作为原料气体。而且提出了下述发明：使用吸附材料从该原料气体将空气（主要含有氮、氧、二氧化碳）分离，浓缩甲烷气体并对其加以利用。

即，在上述专利文献1中，将与氮相比甲烷气体的吸附速度非常慢的天然沸石用作吸附材料（换言之，使用相对于甲烷气体而优先地吸附氮、氧、二氧化碳的吸附材料）。而且提出有利用以下的方法将甲烷气体浓缩的装置以及方法的发明。即，向填充有该吸附材料的吸附塔中利用压缩机等将矿井气体导入直到变为既定压力。此时，令包含于矿井气体的氧、氮、二氧化碳先吸附于吸附塔的近前部（下部）。此外，令吸附速度慢的甲烷气体吸附于吸附塔的里部（上部），进而将该甲烷气体从吸附塔的上部放出直到变为大气压。

由此，使用吸附材料而从作为原料气体的矿井气体分离空气并浓缩甲烷气体。其结果，能够将该浓缩后的甲烷气体用作燃料等。

专利文献1 : 日本特开昭58－198591号公报。

即，作为用于浓缩矿井气体的构成设想有下述构成，

设置填充有吸附可燃性气体的吸附材料的吸附塔，

设置通过供给路向上述吸附塔供给含有可燃性气体以及空气的原料气体、并且将上述原料气体中没有被吸附于上述吸附材料的排气通过放出路而放出至上述吸附塔的外部的供给放出机构，

设置将上述吸附塔内减压至比大气压还低压而将吸附于上述吸附材料的可燃性气体解吸、并通过收集路进行收集的收集机构，

设置控制机构，其令下述工序顺次进行：

利用上述供给放出机构向上述吸附塔供给上述原料气体，并且从上述吸附塔放出上述排气的可燃性气体的吸附工序、

和利用上述收集机构收集被解吸的上述可燃性气体的可燃性气体的解吸工序。

在这样的构成中，如果向上述吸附塔导入原料气体，则上述原料气体与上述吸附材料接触，包含于上述原料气体中的可燃性气体被吸附。在此，在原料气体中，没有被吸附的成分原样地作为排气而通过放出路被放出至上述吸附塔的外部。其结果，在上述吸附塔内仅浓缩原料气体中的可燃性气体（吸附工序）。

在上述吸附材料中，如果达到吸附可燃性气体的吸附极限，则上述吸附材料发生解吸透过而开始向排气中排出可燃性气体。因此，在可燃性气体开始被原样地排出至排气中之前停止原料气体的供给。此外相反地，将吸附塔减压而从吸附塔排出可燃性气体。在此排出的可燃性气体通过收集路而被收集。在此收集的可燃性气体是被上述吸附塔选择性地吸附过的气体，所以是比原料气体中的浓度更浓地被浓缩后的气体（解吸工序）。

如果顺次反复进行上述吸附工序、解吸工序，则被浓缩后的可燃性气体顺次经由收集路而被收集。

但是，对于用于令上述的吸附工序、解吸工序顺次反复进行的控制机构而言，人们考虑将吸附工序的结束时刻作为自开始上述吸附工序后经过了既定的吸附时间后的时刻。此外，人们考虑将吸附工序的排气中的可燃性气体浓度到达既定浓度的时刻作为吸附结束时刻。

但是，如果这样地判断吸附工序的结束时刻，则当上述原料气体中的可燃性气体浓度发生变动时，存在无法高效地进行各工序的切换的问题。

例如，如果根据吸附时间的经过来判断吸附结束时刻，则当原料气体中的可燃性气体浓度比预想的浓度低时，吸附塔的吸附材料还没有到达解吸透过但却令吸附工序结束。相反地，在可燃性气体浓度高时，向排气中排出大量的可燃性气体，产生损失。

此外，如果根据排气中的可燃性气体浓度来判断吸附结束时刻，则预想的吸附结束时刻和实际的吸附结束时刻存在很大差异。

因此，需要对排气中的可燃性气体浓度进行必要以上的长期间监测、或者在开始监测时可燃性气体浓度已经变高而无法适宜地检测到决定吸附工序的结束时刻的可燃性气体浓度。

此外，有时由于吸附材料21的吸附能力降低、鼓风机的能力降低等的因素而甲烷气体的上述吸附材料发生解吸透过的时间发生变动。在这样的状况下，也存在吸附结束时刻的上述甲烷气体浓度发生变动的问题。

在这样的状况下，在吸附材料21劣化等而吸附特性发生了变化时，有时吸附材料21开始解吸透过后开始向排气OG中快速地放出甲烷气体、或者鼓风机的能力降低而气体流量降低。此时，人们设想直到吸附材料的解吸透过需要时间。因此，若例如根据吸附时间的经过而判断吸附结束时刻，则在鼓风机的能力降低而供给至吸附材料的可燃性气体量减少这样的情况时，吸附塔的吸附材料还未到达解吸透过但却令吸附工序结束。相反地，在吸附材料劣化而吸附能力降低时，向排气中排出大量的可燃性气体而发生损失。此外，如果根据排气中的可燃性气体浓度来判断吸附结束时刻，则预想的吸附结束时刻和实际的吸附结束时刻存在很大差异，与之前同样地需要对排气中的可燃性气体浓度进行必要以上的长期间监测、或者在开始监测时可燃性气体浓度已经变高而无法适宜地检测到决定吸附工序的结束时刻的可燃性气体浓度。

为了防止上述的状况，在各情况下都设定为具有裕量地判断吸附结束而进行运转。但是如果具有裕量地进行判断，则会存在为了在安全侧运转而原料气体的浓缩度不会太高、原料损失变大、浓缩装置整体的运转效率降低的问题。因而，从节能、地球温室化等的环境问题的观点出发也期望进行改善。

发明内容

本发明是鉴于上述的课题而提出的，其目的在于提供一种能够在浓缩可燃性气体时将原料损失抑制为最小限并且能够有效地将可燃性气体浓缩为高浓度的技术。

〔构成1〕

为了实现上述目的的本发明的特征构成在于，

一种可燃性气体浓缩装置，

设置有填充吸附可燃性气体的吸附材料的吸附塔，

设置通过供给路向上述吸附塔供给含有可燃性气体以及空气的原料气体、并且将上述原料气体中没有吸附于上述吸附材料的排气通过放出路放出到上述吸附塔的外部的供给放出机构，

设置将上述吸附塔内减压至低于大气压而令吸附于上述吸附材料的可燃性气体解吸并通过收集路进行收集的收集机构，

设置有控制机构，该控制机构令下述工序顺次进行：

利用上述供给放出机构向上述吸附塔供给上述原料气体、并且从上述吸附塔放出上述排气的可燃性气体的吸附工序、和

收集利用上述收集机构被解吸的上述可燃性气体的可燃性气体的解吸工序，

其特征在于，

设置在上述吸附工序中检测供给至上述吸附塔的原料气体中的可燃性气体浓度的检测机构，

设置运转条件设定部，其基于上述检测机构检测到的可燃性气体检测浓度而变更上述控制机构令上述吸附工序结束的吸附结束时刻。

〔作用效果1〕

即，本发明的构成具有上述的以往的可燃性气体浓缩装置的吸附工序的基本构成，所以为了令可燃性气体吸附于上述吸附塔而能够顺次进行吸附工序和解吸工序从而能够进行可燃性气体的浓缩。

此时，原料气体中的可燃性气体浓度越高，吸附塔内的吸附材料发生解吸透过所需要的可燃性气体越是以短时间供给，所以原料气体中的可燃性气体浓度越高，吸附工序的吸附结束时刻越早。因此，通过对应于原料气体中的可燃性气体浓度而适宜地设定吸附结束时刻，即便原料气体的成分组成发生变动，也能够可靠地获知上述吸附工序中吸附材料的解吸透过而令吸附工序结束。

在此，设置在上述吸附工序中检测供给至上述吸附塔的原料气体中的可燃性气体浓度的检测机构，所以能够获知进行吸附工序时被供给的原料气体中的可燃性气体的浓度。

而且，能够利用运转条件设定部基于由上述检测机构得到的原料气体中的可燃性气体的浓度信息而变更上述吸附结束时刻的设定。由此，能够正确地设定吸附结束时刻，能够将原料损失抑制为最小限，能够有效地将可燃性气体浓缩为高浓度。

〔构成2〕

另外，在上述构成中，优选上述运转条件设定部具有将可燃性气体浓度和吸附结束时刻的对应关系制成数据库并进行存储的存储部。

〔作用效果2〕

在利用上述检测机构检测原料气体中的可燃性气体浓度而变更上述吸附结束时刻时，需要决定如何变更。但是，如果吸附材料的种类、流量相同，则从吸附工序的开始到吸附结束时刻的吸附时间能够用例如原料气体中的可燃性气体浓度的一次函数表示，所以如果设置将这些的关系作为数据库而存储的存储部，则上述运转条件设定部能够参照上述存储部而求得与当前的原料气体中的可燃性气体浓度对应的适当的吸附结束时刻而进行重新设定。

〔构成3〕

此外，为了实现上述目的的本发明的特征构成在于，

一种可燃性气体浓缩装置，具有：

吸附塔，填充有吸附可燃性气体的吸附材料；

供给放出机构，通过供给路向上述吸附塔供给含有可燃性气体以及空气的原料气体，并且将上述原料气体中没有吸附于上述吸附材料的排气通过放出路而放出至上述吸附塔的外部；

收集机构，将上述吸附塔内减压为低于大气压而令吸附于上述吸附材料的可燃性气体解吸并并通过收集路进行收集；

控制机构，顺次进行下述工序：

可燃性气体的吸附工序，利用上述供给放出机构向上述吸附塔供给上述原料气体并且从上述吸附塔放出上述排气、和

可燃性气体的解吸工序，利用上述收集机构收集被解吸的上述可燃性气体，

其特征在于，

设置在上述吸附工序中检测从上述吸附塔排出的可燃性气体浓度的检测机构，

设置有运转条件设定部，基于上述检测机构检测到的可燃性气体检测浓度而变更上述控制机构令上述吸附工序结束的吸附结束时刻。

〔作用效果3〕

即，本发明的构成具有上述的以往的可燃性气体浓缩装置的吸附工序的基本构成，所以为了令可燃性气体吸附于上述吸附塔，能够通过顺次进行吸附工序和解吸工序而进行可燃性气体的浓缩。

在此，设置有在上述吸附工序中检测从上述吸附塔排出的可燃性气体浓度的检测机构，所以在进行吸附工序时，能够获知排出的排气中的可燃性气体浓度。

此时，各工序的切换通常设定吸附结束时刻而以吸附时间是否到达吸附结束时刻来进行判定。因此，排气中的可燃性气体浓度越高，吸附塔内的吸附材料越是充分到达解吸透过，所以吸附工序的吸附结束时刻能够根据排气中的可燃性气体浓度而判定。

而且，设置有运转条件设定部，其基于上述检测机构检测到的可燃性气体检测浓度而变更上述控制机构令上述吸附工序结束的吸附结束时刻，所以能够对应于排气中的可燃性气体浓度而判断吸附结束时刻是否被适宜地进行了设定，能够基于该判断而变更吸附结束时刻的设定。

此外，各工序的切换能够借助上述排气中的可燃性气体浓度自身的阈值来判定，但此时也可以对应于排气中的可燃性气体浓度而判断吸附结束时刻是否被适当地设定，并基于该判断而变更吸附结束时刻的设定。

由此，能够正确地设定吸附结束时刻，能够将原料损失抑制为最小限，能够有效地将可燃性气体浓缩为高浓度。

〔构成4〕

此外，优选基于从上述吸附塔排出的可燃性气体浓度的阈值而判定上述控制机构令上述吸附工序结束的吸附结束时刻，并且

具有将由上述检测机构检测到的可燃性气体浓度和用于修正上述阈值的气体浓度修正值的对应关系制成数据库并进行存储的存储部，上述运转条件设定部基于预先求得的上述对应关系而变更上述吸附结束时刻的设定。

〔作用效果4〕

在利用上述检测机构检测排气中的可燃性气体浓度而变更上述吸附结束时刻时，需要决定如何变更。但是，如果上述原料气体相同，则存在下述关系：上述吸附材料的吸附能力越高，从吸附工序的开始到吸附结束时刻的吸附时间越长，上述原料气体的供给量越多，从吸附工序的开始到吸附结束时刻的吸附时间越短，不能够一概地基于吸附材料的性状及原料气体的供给量的变动等确定。

因此，如果将由上述检测机构检测到的可燃性气体浓度和用于修正上述阈值的气体浓度修正值的对应关系制成数据库并存储，基于存储于该数据库的对应关系而变更上述吸附结束时刻的设定，则无需分别地掌握吸附材料的性状及原料气体的供给量的变动等就能够获知吸附结束时刻，上述运转条件设定部能够基于预先求得的对应关系而变更适当的吸附结束时刻的设定。

〔构成5〕

此外，也可以根据吸附工序开始起的经过时间来判定上述控制机构令上述吸附工序结束的吸附结束时刻，并且

具有将由上述检测机构检测到的可燃性气体浓度和上述经过时间的对应关系制成数据库并进行存储的存储部，上述运转条件设定部基于预先求得的上述对应关系而变更上述吸附结束时刻的设定。

〔作用效果5〕

此外，同样地将由上述检测机构检测到的可燃性气体浓度和上述经过时间的对应关系制成数据库并进行存储，并基于存储于该数据库的对应关系而变更上述吸附结束时刻的设定，此时也无需分别地掌握吸附材料的性状及原料气体的供给量的变动等就能够获知吸附结束时刻，上述运转条件设定部能够基于预先求得的对应关系而进行适当的吸附结束时刻的设定变更。

因而，即便原料气体的成分组成发生变动，也能够将原料损失抑制为最小限，能够有效地将可燃性气体浓缩为高浓度。

附图说明

图1是表示第1实施方式的可燃性气体浓缩装置的构成的概略构成图。

图2是表示本申请的甲烷气体吸附材料的吸附特性的图。

图3是表示第1实施方式的可燃性气体浓缩装置的动作流程图。

图4是表示吸附工序的可燃性气体浓缩装置的动作的示流程图。

图5是以与经过时间的关系表示甲烷气体吸附工序的排气OG中的甲烷气体浓度的变化的框图。

图6是以与经过时间的关系表示甲烷气体解吸工序的浓缩后的可燃性气体PG中的甲烷气体浓度的变化的框图。

图7是以与吸附塔2内的压力的关系表示甲烷气体解吸工序的浓缩后的可燃性气体PG中的甲烷气体浓度的变化的表图。

附图标记说明

100…可燃性气体浓缩装置（本装置），2…吸附塔，21…吸附材料，21a…甲烷气体吸附材料，3…供给部，30…供给路，31…供给放出机构，31a…鼓风机，32…切换阀（供给路切换阀），33…入口侧检测机构（检测机构），33a…甲烷气体浓度检测机构，4…放出部，40…放出路，42…切换阀（放出路切换阀），43…出口侧检测机构（检测机构），43a…甲烷气体浓度检测机构，5…收集部，50…收集路，51…收集机构，51a…真空泵，52…切换阀（收集路切换阀），54…储藏容器，6…控制机构，61…气体浓度运算部，62…计时部，63…运转条件设定部，64…切换控制部，65…存储部，65a…入口侧控制数据，65b…出口侧控制数据，G…原料气体（矿井气体、可燃性气体），PG…高浓度的（浓缩后的）可燃性气体（产品气体），OG…排气。

具体实施方式

基于附图说明本发明的可燃性气体浓缩装置100（以下简称本装置100）的实施方式。

［第1实施方式］

＜本装置的构成＞

图1是表示本装置100的概略构成的图。具体而言，本装置100如图1所示，设有填充有吸附材料21的吸附塔2、供给原料气体G并且放出排气OG的供给部3以及放出部4、收集浓缩后的可燃性气体PG的收集部5、控制供给部3、放出部4、收集部5的运转的控制机构6。此外，具有检测供给至吸附塔2内的原料气体G中的可燃性气体浓度的入口侧检测机构（检测机构）33、以及用于检测通过了吸附塔2的气体的出口侧检测机构（检测机构）43。

＜吸附塔＞

吸附塔2中填充有能够吸附可燃性气体的吸附材料21，构成为能够对供给至吸附塔2的原料气体G内的可燃性气体选择性地进行吸附。

在此，原料气体G是包含可燃性气体和空气的气体，例如能够是含有甲烷气体和空气的矿井气体。此外，作为可燃性气体，只要是可燃性的气体则没有特别限定，例如能够是包含于矿井气体中的甲烷气体。以下说明令原料气体G为矿井气体，在原料气体G中含有作为可燃性气体的甲烷气体和空气的情况。另外，矿井气体是从煤矿产生的气体，根据条件而不同，但在矿井气体中含有甲烷气体20～40Vol%左右、空气（主要含有氮气、氧气）60～80Vol%左右。

＜吸附塔：吸附材料＞

吸附材料21只要能够选择性地吸附甲烷气体等的可燃性气体则没有特别限定，但作为吸附材料21可以使用下述的甲烷吸附材料21a：从基于MP法的平均细孔直径为4.5～15埃且大气压以及298K下的甲烷气体吸附量为20Ｎml/g以上的活性碳、沸石、硅胶以及有机金属络合物（富马酸铜、对钛酸铜、环己烷二甲酸铜等）构成的组中选择的至少一个的甲烷吸附材料。另外，作为上述平均细孔直径优选为4.5～10埃，更优选为5～9.5埃，此外，上述甲烷气体吸附量优选为25Nml/g以上。这样的活性碳是例如如下地得到的：将椰壳或者椰壳碳在氮气体中以600℃完全地碳化而形成碳化物，以将该碳化物粉碎为粒径1～3mm的大小而成的材料作为碳材料，使用内径50mm的间歇式流动活化炉在水蒸气10～15Vol%、二氧化碳15～20Vol%以及其余为氮的环境下以860℃进行活化。

通过这样地将能够在大气压以及298K下选择性地吸附甲烷气体的甲烷气体吸附材料21a用作吸附材料21，能够令甲烷气体即便在大气压以及298K下也充分地吸附于该甲烷气体吸附材料21a。

即，若大气压以及298K下的甲烷气体吸附量低于20Nml/g，则低压（特别地大气压左右）下的甲烷气体吸附性能降低，浓缩后的甲烷气体的甲烷气体浓度降低，并且为了维持吸附性能，需要增加甲烷气体吸附材料21a的量而令装置大型化。另外，上述甲烷气体吸附量的上限没有特别限定，但当前能够实现的甲烷气体吸附材料21a的甲烷气体吸附量为40Nml/g以下的程度。

此外，如果基于MP法的平均细孔直径小于4.5埃，则氧气、氮气的吸附量增加，浓缩后的甲烷气体中的甲烷气体浓度降低、或者平均细孔直径接近甲烷气体分子径而吸附速度变慢而甲烷气体吸附性能降低、变得无法吸附。另一方面，如果基于MP法的平均细孔直径大于15埃，则低压（特别是大气压左右）下的甲烷气体吸附性能降低，浓缩后的甲烷气体的甲烷气体浓度降低，并且为了维持吸附性能，需要增加甲烷气体吸附材料21a的量而令装置大型化。

因而，优选是由基于MP法的平均细孔直径为4.5～15埃且大气压以及298K下的甲烷气体吸附量为20Nml/g以上的活性碳、沸石、硅胶以及有机金属络合物构成的组中选择的至少一个的甲烷吸附材料。

进而，优选上述甲烷气体吸附材料21a为，基于HK法的平均细孔直径10埃以下的细孔容积为全部细孔容积的50%以上，优选为70%以上，更优选为80%以上。此时，能够选择性地吸附甲烷气体的平均细孔直径为10埃以下的细孔容积占全部细孔容积的50%以上，所以能够令大气压下（0.1MPa左右）的甲烷气体的可能吸附量增大，即便在大气压下也能够充分地吸附甲烷气体。即，如图2所示，上述平均细孔直径为10埃以下的甲烷气体吸附材料3a中，与平均细孔直径比10埃大的甲烷气体吸附材料3b相比，大气压下（0.1MPa左右）的甲烷气体吸附量多，适于用于如本装置100那样基本上在大气压下进行甲烷气体的吸附的情况。另外，实质上只要能够测量的范围的平均细孔直径为4埃以上10埃以下的细孔容积为全部细孔容积的50%以上即可。此外，平均细孔直径为4.5埃以上10埃以下的细孔容积为全部细孔容积的50%以上对于甲烷气体吸附材料21a而言更为优选。

另一方面，上述甲烷气体吸附材料21a为，在77K下的氮吸附量中，与基于HK法为10埃的平均细孔直径对应的相对压0.013下的氮吸附量为与全部细孔容积对应的相对压0.99下的氮吸附量的50%以上，优选为70%以上，更优选为80%以上。此时，相对压0.99的吸附量表示全部细孔容积，相对压0.013的吸附量表示10埃以下的细孔容积，各自的值的比与上述同样地表示10埃以下的细孔的比例大这一情况。其结果，即便是令甲烷气体和空气的混合气体作为原料气体G时，也能够容易地并且高效地进行大气压附近的甲烷气体的浓缩。

＜供给部＞

在吸附塔2上连设有供给原料气体G的供给部3。上述供给部3设置有供给原料气体G的供给路30、和将原料气体G送入上述供给路30的送风机（鼓风机）31a。此外，在上述供给路30上设置有用于进行向上述供给路30的原料气体G的供给及供给停止的切换、以及供给量的调节的切换阀（供给路切换阀）32，并且作为入口侧检测机构33而设置有用于检测供给的原料气体G中的甲烷气体浓度的甲烷气体浓度检测机构33a。

上述送风机31a设置在供给路30上，通过供给路30将原料气体G供给至吸附塔2，令原料气体G中的甲烷气体吸附于吸附塔2内的甲烷气体吸附材料21a，能够不将原料气体G升压地进行供给，只要如上所述，则没有特别的限定。

此外，上述供给路切换阀32能够借助后述的控制机构6的切换控制部64的控制而调节原料气体G的供给。

＜放出部＞

在吸附塔2上连设有将从供给部3供给的原料气体G中没有吸附于吸附材料21的排气OG放出的放出部4。上述放出部4设置有将排气OG（甲烷气体浓度的非常低且主要由氮气、氧气构成的气体）放出的放出路40。此外，在上述放出路40上，设置有用于向上述放出路40放出、放出停止放出排气OG、进行放出量的调节的切换阀（放出路切换阀）42，并且作为出口侧检测机构43，设置有用于检测放出的排气OG中的甲烷气体浓度的甲烷气体浓度检测机构43a。

此外，放出路切换阀42能够利用后述的控制机构6的切换控制部64的控制而调节排气OG的放出。

本申请的供给放出机构31具有前述的供给部和放出部，在其动作方面，作为能够将供给至吸附塔2的原料气体G中没有吸附于甲烷气体吸附材料21a的排气OG通过放出路40而向吸附塔2的外部空间放出的机构而起作用。

即，供给放出机构31将原料气体G在不升压的状态下以大气压附近的压力送入吸附塔2内，一边令原料气体G中的甲烷气体吸附一边将排气OG通过放出路40放出。

＜收集部＞

在吸附塔2上连设有收集部5，其将从供给部3供给的原料气体G中吸附于吸附材料21并成为浓缩后的高浓度的可燃性气体PG的甲烷气体取出。上述收集部5设置有取出高浓度的可燃性气体PG的收集路50，并且设置有主要地构成从上述吸附塔2向上述收集路50取出高浓度的可燃性气体PG的收集机构51的真空泵51a、以及储藏取出至上述收集路50的高浓度的可燃性气体PG的储藏容器54。在收集路50中设置有能够调节浓缩后的可燃性气体PG的通过的切换阀（收集路切换阀）52，能够借助后述的上述控制机构6的切换控制部64的控制而调节浓缩后的可燃性气体PG的通过。

储藏容器54只要能够安全地储藏浓缩后的高浓度的可燃性气体PG即可，优选使用吸附式气体容器。

收集机构51将吸附塔2内的压力减压至低于大气压而令吸附于吸附塔2内的甲烷气体吸附材料21a的甲烷气体解吸，通过收集路50收集该解吸后的浓缩后的高浓度的可燃性气体PG，向储藏容器54储藏该高浓度的可燃性气体PG。

＜控制机构＞

上述的供给路切换阀32、放出路切换阀42、收集路切换阀52的具体的调节动作由控制机构6的切换控制部64进行。

上述控制机构6具有：基于来自各甲烷气体浓度检测机构33a、43a的输出而求得甲烷气体浓度的气体浓度运算部61、

对切换操作各切换阀32、42、52后的经过时间进行计时的计时部62、

设定切换操作各切换阀32、42、52的切换条件的运转条件设定部63、

基于由上述运转条件设定部63设定的各设定时间切换控制各切换阀的切换控制部64、

将表示原料气体G中的甲烷气体浓度与向吸附塔2供给原料气体G的吸附时间的关系的入口侧控制数据65a、及表示排气OG中的甲烷气体浓度与向吸附塔供给原料气体G的吸附时间的修正量的出口侧控制数据65b制成数据库而进行存储的存储部65，

各部件构成为能够通过具有由存储器等构成的存储介质、CPＵ、输入输出部的微机、以及能够由该计算机执行的程序、或者这些的组合而发挥作用。而且，该计算机通过执行既定的程序能够令气体浓度运算部61、计时部62、运转条件设定部63、切换控制部64发挥作用，能够控制供给放出机构31、收集机构51、供给路切换阀32、放出路切换阀42、收集路切换阀52等的运转。

作为入口侧检测机构33的甲烷气体浓度检测机构33a具体而言具有半导体式的气体检测元件，由检测原料气体G中的甲烷气体浓度的变动的气体传感器构成，检测原料气体G中的甲烷气体，并且将该浓度输出传送至上述控制机构6。接受了这些的上述控制机构6借助运转条件设定部63而参照存储于上述存储部65的入口侧控制数据65a的数据库，从上述浓度输出求得甲烷气体浓度，求得甲烷气体吸附于上述吸附塔2时到吸附材料21解吸透过的吸附时间，设定从原料气体G的供给开始直到经过了吸附时间的吸附结束时刻。由此，上述控制机构6利用计时部62而参照由上述运转条件设定部63设定的吸附结束时刻而判断进行吸附工序的结束动作的时期。

作为出口侧检测机构43的甲烷气体浓度检测机构43a具体而言具有半导体式的气体检测元件，由检测原料气体G中的甲烷气体浓度的变动的气体传感器构成，检测原料气体G中的甲烷气体并且将该浓度输出传送至上述控制机构6。接受了该浓度输出的上述控制机构6参照存储于上述存储部65的出口侧控制数据65b的数据库而利用运转条件设定部63从上述浓度输出求得令甲烷气体吸附于上述吸附塔2的吸附时间的修正量，对从原料气体G的供给开始经过了吸附时间的吸附结束时刻进行修正，变更由运转条件设定部63设定的吸附结束时刻。由此，在吸附工序的下一个循环中，能够设定更为适当的吸附结束时刻。

＜运转控制＞

接着，使用图3、4具体地说明利用本装置100令甲烷气体浓缩的动作。本装置100概略地讲进行甲烷气体的吸附工序（#A）、解吸工序（#B）、升压工序（#C）。

＜吸附工序＞

如图4所示，首先切换控制部64从关闭供给路切换阀32、放出路切换阀42、收集路切换阀52的状态将供给路切换阀32、放出路切换阀42打开（#1）。

然后利用送风机31a通过供给路30将原料气体G供给至吸附塔2内。由此，令甲烷气体吸附于甲烷气体吸附材料21a并令供给至吸附塔2内的原料气体G中没有吸附于甲烷气体吸附材料21a的排气OG通过放出路40而向吸附塔2的外部空间放出（#2）。

此外，由此，开始控制机构6的计时部62的计时。进而，作为上述入口侧检测机构33的甲烷气体浓度检测机构33a测定供给的原料气体G中的甲烷气体浓度（#3），如果甲烷气体浓度在正常范围内，则参照上述存储部65的入口侧控制数据65a而求得对应于该甲烷气体浓度的吸附时间，进行运转条件设定部63的吸附结束时刻的设定（#4）。

以后，利用作为出口侧检测机构43的甲烷气体浓度检测机构43a监测排气OG中的甲烷气体浓度（#5）。此外，利用计时部62持续进行判断时刻是否到达了设定的吸附结束时刻的计时（#6）。

利用甲烷气体浓度检测机构43a检测向放出路40放出的排气OG中的甲烷气体浓度，并且利用计时部62持续进行计时。在检测到的甲烷气体浓度变为既定的浓度（甲烷气体浓度设定阈值）以上（#5a）、或计时部62的计时时刻到达吸附结束时刻（吸附时间到达吸附时间设定阈值）（#6b）时，移行至吸附工序的结束动作。在检测到的甲烷气体浓度为既定的浓度以下（#5b）、时刻没有到达吸附结束时刻（#6a）时，继续进行计时部62的计时以及出口侧检测机构43的甲烷气体浓度的监测。另外，各阈值作为存储于设置于上述控制机构6的运转条件设定部63的控制模式而被存储，吸附工序的每一次循环后被更新设定。

如果移动到吸附工序的结束动作，则基于移行至结束动作的时刻的甲烷气体浓度检测机构43a的甲烷气体浓度输出，运转条件设定部63参照上述存储部65的出口侧控制数据65b而求得吸附结束时刻，进行吸附结束时刻的修正（#7）。而且，结束计时部62的计时并停止原料气体G的供给而结束吸附工序（#8）。

由此，将原料气体G在大气压下供给至吸附塔2内，令甲烷气体选择性地吸附于甲烷气体吸附材料21a，并且能够防止排气OG内宝贵的甲烷气体流出。即，在经过既定的时间之前，甲烷气体几乎完全被吸附而不会向吸附塔2的外部流出，排气OG中的甲烷气体浓度非常低，所以为爆发范围外的浓度。

＜吸附工序：吸附结束时刻的设定＞

工序#4的吸附结束时刻的设定例如如下地进行。

如果作为入口侧检测机构33的甲烷气体浓度检测机构33a检测到原料气体G中包含的甲烷气体，则将该气体检测到输出作为浓度输出而转交给控制机构6。上述控制机构6接受该输出而利用气体浓度运算部61求得甲烷气体浓度。另一方面，将入口侧控制数据65a制成数据库而存储在上述存储部65中，所述入口侧控制数据65a是将原料气体G中的甲烷气体浓度和吸附工序的吸附时间（从吸附工序开始到吸附塔2的吸附材料21发生解吸透过的时间）的关系根据每个吸附材料21的种类、原料气体G的设定流量而决定。上述运转条件设定部63从存储于上述存储部65的入口侧控制数据65a求得对应于当前的运转条件以及原料气体G中的甲烷气体浓度的吸附时间。

例如，当在容量为0.333L的圆筒状吸附塔中填充下述吸附性能的活性碳206.7g、令原料气体G以1000Nm³/h的流量流通而令吸附工序运转时，甲烷气体浓度C（%）和吸附时间T（秒）的关系大致可以视为T＝－1.8935×C＋143.61，预先如表1那样将吸附时间数据库化。

因此，若上述入口侧检测机构33检测到的浓度输出以甲烷气体浓度换算为23%，则吸附结束时刻设定为距吸附开始100秒后。因而，吸附工序在该例中将100秒作为吸附结束时刻而实施。

活性碳：

材质：椰壳活性碳

细孔直径：8.5埃（基于MP法的平均细孔直径）

细孔容积：0.45ml/g（基于HK法测定的容积）

平均细孔直径为10埃以下的细孔容积相对于全部细孔容积的比例：83%（相对压0.013下的氮吸附量比例相同）

比表面积：1025m²/g（由BET法测定的比表面积）

大气压298K下的甲烷气体吸附容量：27Nml/g。

[表1]

气体浓度（%）	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
												吸附时间（秒）	106	104	102	100	98	96	94	92	91	89	87

＜吸附工序：吸附结束时刻的修正＞

工序#7的吸附结束时刻的修正（下一个循环中使用的吸附结束时刻的设定）例如如下地进行。

作为出口侧检测机构43的甲烷气体浓度检测机构43a求得排气OG中的甲烷气体浓度，并且将该输出传送至上述控制机构6。上述控制机构6接受该输出而在气体浓度运算部61中求得甲烷气体浓度。另一方面，由于吸附材料21的吸附能力降低、鼓风机的能力降低等的因素，甲烷气体的上述吸附材料发生解吸透过的时期发生变动，所以吸附结束时刻的上述甲烷气体浓度发生变动。因此，在上述存储部65中将出口侧控制数据65b制成数据库而存储，所述出口侧控制数据65是用于将吸附工序结束时的排气OG中包含的甲烷气体浓度与在工序#5、#6中用作阈值的吸附时间、气体浓度的阈值的关系针对每吸附材料21的种类、原料气体G的设定流量而修正为与当前的排气OG中的甲烷气体浓度对应的值的修正值。上述运转条件设定部63从存储于上述存储部65的各控制数据65a、65b求得并设定将吸附时间、气体浓度的阈值修正为与当前的排气OG中的甲烷气体浓度对应的值用的吸附时间、气体浓度的修正值。而且，在吸附工序的下一个循环中使用新的吸附时间、气体浓度的阈值而能够进行更为适当的吸附工序。

例如，在令上述的吸附塔以同样的条件运转时，在当前的吸附时间的阈值为110秒、甲烷气体浓度的阈值为2.5%时，如表2所示，对在吸附工序的下一个循环中使用的新的吸附时间、气体浓度的阈值进行修正。因此，例如在吸附工序的结束时，排气OG中的甲烷气体浓度如果变为2.0%，则在下一次的吸附工序中，将吸附时间修正112秒、甲烷气体浓度的阈值修正为2.6%而进行初始设定，从而能够更适当地抑制排气OG中的甲烷气体浓度并且进行更高效的吸附工序。

[表2]

气体浓度（%）	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0	3.1	3.3	3.5
									吸附时间修正值（秒）	2.0	2.0	2.0	1.0	0	-1.0	-2.0	-3.0
气体浓度修正值（%）	0.20	0.15	0.10	0.05	0	-0.05	-0.10	-0.15

＜解吸工序＞

接着，如图1所示，在停止向吸附塔2内的原料气体G的供给后，上述控制机构6的切换控制部64关闭供给路切换阀32以及放出路切换阀42而打开收集路切换阀52。而且，利用真空泵51a将吸附塔2内减压至比大气压还低，令吸附的甲烷气体从甲烷气体吸附材料21a解吸，开始作为该浓缩后的高浓度的可燃性气体PG的甲烷气体的通过收集路50的收集，储藏于储藏容器54。如果将吸附塔2内减压至既定的压力，则停止浓缩后的可燃性气体PG的收集，关闭收集路切换阀52。这些步骤为甲烷气体解吸工序。

由此，能够令甲烷气体吸附于甲烷气体吸附材料21a而令排气OG中的甲烷气体浓度降低，并且将甲烷气体浓缩为高浓度，能够防止排气OG以及浓缩后的可燃性气体PG变为爆发范围内的浓度。

即，如图6所示，从甲烷气体解吸工序的开始直到甲烷气体解吸工序的结束，随着时间的经过，浓缩后的可燃性气体PG中的甲烷气体浓度上升。与之相同，如图7所示，随着上述时间的经过，吸附塔2内的压力从大气压慢慢地减压直到接近真空，与之相伴，浓缩后的可燃性气体PG中的甲烷气体浓度上升。换言之，可知如果在甲烷气体解吸工序中进行减压而经过一定时间而吸附塔2内接近真空，则与之相伴被收集的浓缩后的可燃性气体PG的甲烷气体浓度上升。因而，能够防止浓缩后的可燃性气体PG中的甲烷气体浓度变为非常浓的状态而变为爆发范围内的浓度。另外，对于排气OG也如上所述，甲烷气体浓度被保持为低浓度，能够防止变为爆发范围内的浓度。

＜升压工序＞

接着，上述控制机构6的切换控制部64打开放出路切换阀42而通过放出路40向吸附塔2内供给空气，然后关闭放出路切换阀42。

由此，令吸附塔2内的压力升压至接近大气压，在之后进行的甲烷气体吸附工序中，能够令甲烷气体容易吸附。

在以上说明的实施方式中，在大气压下，即便原料气体G中的甲烷气体浓度发生变动，也能够从该原料气体G令甲烷气体高效地吸附于甲烷气体吸附材料21a，能够高浓度、高效且安全地精制作为产品气体的浓缩后的可燃性气体PG。此外，即便由于吸附塔的吸附能力发生变动等而排气OG中的甲烷气体浓度发生变动等，也能够高效地进行甲烷气体向甲烷气体吸附材料21a的吸附动作，能够防止排气OG变为爆发范围内的浓度。

［第2实施方式］

在之前的实施方式中，在进行吸附工序时，仅在原料气体G供给开始时一次性地进行吸附结束时刻的设定，但也可以反复进行多次。即，在供给的原料气体G中的甲烷气体浓度较大地变化时，吸附结束时刻会较大地偏移，所以通过多次反复进行工序#3以及工序#4能够进一步对该偏移进行修正而进行再设定。

此时的基于入口侧检测机构33的吸附结束时刻的再设定例如可以如下地进行。

在气体浓度运算部中求得原料气体G中的甲烷气体浓度，在该浓度在距吸附工序开始时经过了既定时间时有较大偏移时，计算甲烷气体浓度发生了较大偏移的时刻的向上述吸附塔2的甲烷气体预想吸附量。求得该甲烷气体预想吸附量、和作为直到解吸透过之前上述吸附塔2能够吸附的甲烷气体量的预想全吸附容量，将其差作为预想剩余吸附容量。运算求得当令预想剩余吸附容量的吸附塔2吸附较大地偏移了的甲烷气体浓度的原料气体G时该吸附塔2直到解吸透过的修正吸附时间。而且从甲烷气体浓度发生了较大偏移的时刻将上述修正吸附时间经过时刻作为新的吸附结束时刻，由运转条件设定部进行再设定。

该再设定如果很细密地进行，则能够对应于供给的原料气体G的性状变化而实时地适当地维持吸附结束时刻。

此外，在检测原料气体G中的甲烷气体浓度时，只要设定从开始供给原料气体G的经过时间而得到该设定时间的甲烷气体浓度输出即可，但上述情况下，能够通过在每既定时间中得到甲烷气体浓度输出而进行监测而实现。另外，作为上述甲烷气体浓度输出可以如上所述地使用既定时间经过时刻的传感器输出，也可以使用既定期间的传感器输出的平均值。

［第3实施方式］

在之前的实施方式中，基于吸附结束时刻的排气OG中的甲烷气体浓度输出而修正用于下一个循环的吸附结束时刻，但也可以基于排气OG中甲烷气体开始解吸透过后的既定时间后的甲烷气体浓度输出来修正下一个循环的吸附结束时刻。即，设想在吸附材料21劣化等而吸附特性降低时，吸附材料21开始解吸透过后开始向排气OG中快速地放出甲烷气体的状况、及鼓风机的能力降低而气体流量降低时，直到吸附材料的解吸透过需要时间的状况，此时，能够矫正大量的甲烷气体被放出、运转效率降低的可能。

此时的出口侧检测机构43的吸附结束时刻的再设定例如可以如下地进行。

在气体浓度运算部中求出排气OG中的甲烷气体浓度，测定该浓度在吸附材料21发生解吸透过后经过了既定时间时上升何种程度。上述控制机构利用运转条件设定部判断该值在当前设定的吸附结束时刻下是否到达既定的甲烷气体浓度。而且，在判断甲烷气体浓度高时，提前吸附结束时刻而进行再设定，在判断为低时，延迟吸附结束时刻而进行再设定。

该再设定如果细密地进行，则能够对应于排气OG中的甲烷气体浓度而实时地适当地调节吸附结束时刻。

此外，在检测排气OG中的甲烷气体浓度时，设定甲烷气体开始解吸透过后的经过时间，得到该设定时间的甲烷气体浓度输出即可，但在上述情况下，能够通过每既定时间得到甲烷气体浓度输出而进行监测而实现。此外，运转条件设定部的甲烷气体浓度的判断能够通过参照甲烷气体浓度的绝对值或者甲烷气体浓度输出自身的绝对值来进行，也能够以其变化度来判断。

［其他的实施方式］

（1）在上述第1～第3实施方式中，为了能够除去供给的原料气体G中的水分而令可燃性气体适当地吸附于吸附材料21，也可以设置除湿机。具体而言，通过在供给路30上设置除湿机，能够将原料气体G中的水分除去。此外，能够向吸附塔2内填充能够选择性地吸附水分的水分用吸附材料，能够防止水分导致的可燃性气体的吸附性能的降低。

（2）在上述第1～第3实施方式中，向吸附塔2填充吸附材料21，该吸附材料21可以单独地使用也可以混合两种以上地使用。

（3）对于结束了上述吸附工序的吸附塔2，可以进行供给作为产品气体的浓缩后的对上述吸附塔2设置从上述储藏容器供给作为产品气体的浓缩后的可燃性气体PG的净化路，并且设置用于对借助净化而排出的排气OG进行储藏的储藏部、及令其向原料侧再循环用的循环路即可。由此，能够进一步提高从吸附塔2得到的作为产品气体的浓缩后的可燃性气体PG的纯度。

（4）在上述第1～第3实施方式中，使用了单个的吸附塔2，但也可以使用多个吸附塔2、2、2。例如在使用两个塔时，可燃性气体浓缩装置令第一吸附塔2以A：可燃性气体吸附工序、B：可燃性气体解吸工序、C：均压工序的顺序进行动作，与此相对，令第二吸附塔2以A：可燃性气体解吸工序、B：可燃性气体吸附工序、C：均压工序的顺序动作，能够连续地进行可燃性气体的浓缩。

在此，均压工序是指将来自内部压力高的吸附塔2的排气导入内部压力低的吸附塔2从而以不容易产生能量损失的状态高效地进行压力调节。即，通过向结束了解吸工序的吸附塔2中导入来自结束了吸附工序的吸附塔2的排气，能够向处于减压状态的吸附塔2导入来自处于升压状态的吸附塔2的排气，实现两吸附塔2的压力均衡，同时能够在均压工序中回收来自吸附塔2的排气中包含的可燃性气体，此外，能够将解吸工序开始时的脱离可燃性气体浓度设定得较高，所以能够有利于提高可燃性气体PG的纯度。

（5）在上述第1～第3实施方式中，作为原料气体G使用矿井气体，作为可燃性气体使用甲烷气体，但作为原料气体G只要是含有可燃性气体和空气的气体则没有特别限定，此外，作为可燃性气体只要是可燃性的气体则没有特别限定。而且，能够对应于可燃性气体的种类而适宜地变更吸附材料21的物性，例如，如果作为这样的吸附材料21的平均细孔直径选择可燃性气体的平均分子径的1.2倍～2倍左右的吸附材料21，则能够选择性地吸附可燃性气体。

（6）在上述升压工序中向上述吸附塔2供给空气，但不限定于此，例如，也可以使用在煤矿内挖掘时通过向坑内的通气而向大气中放出的通气甲烷气体（通气甲烷气体，通常甲烷气体浓度0.5%）。由此，能够回收通气甲烷气体中所含的甲烷气体，能够有效地回收以往被放出的通气甲烷气体。

产业上的利用可能性

本发明的可燃性气体浓缩装置能够有效地用作下述技术：在浓缩可燃性气体时，即便原料气体G的成分组成发生变动也能够将原料损失抑制为最小限度，能够有效地将可燃性气体浓缩为高浓度。

Claims (1)

1.一种可燃性气体浓缩装置，

设置吸附塔，填充有吸附可燃性气体的吸附材料，

设置供给放出机构，通过供给路向上述吸附塔供给含有可燃性气体以及空气的原料气体，并且将上述原料气体中没有吸附于上述吸附材料的排气通过放出路放出到上述吸附塔的外部，

设置收集机构，将上述吸附塔内减压至低于大气压而将吸附于上述吸附材料的可燃性气体解吸并通过收集路进行收集，

设置有控制机构，该控制机构令下述工序顺次进行：

利用上述供给放出机构向上述吸附塔供给上述原料气体，并且从上述吸附塔放出上述排气的可燃性气体的吸附工序、和

利用上述收集机构收集被解吸的上述可燃性气体的可燃性气体的解吸工序，

其特征在于，

设置检测机构，在上述可燃性气体的吸附工序中检测供给至上述吸附塔的原料气体中的可燃性气体浓度，

设置有：

气体浓度运算部，基于来自上述检测机构的输出而求得可燃性气体浓度；

计时部，对上述可燃性气体的吸附工序的经过时间进行计时；

运转条件设定部，设定各吸附塔的运转状态的切换条件；

切换控制部，基于由上述运转条件设定部设定的各设定时间，切换控制各吸附塔的运转状态，

上述运转条件设定部从表示上述原料气体中的可燃性气体浓度和吸附时间的关系的入口侧控制数据对每个上述可燃性气体的吸附工序求得对应于当前的运转条件以及上述原料气体中的可燃性气体浓度的吸附时间，变更令上述可燃性气体的吸附工序结束的吸附结束时刻，并且进行基于上述吸附结束时刻的上述可燃性气体的吸附工序。

2. 一种可燃性气体浓缩装置，

具有：

吸附塔，填充有吸附可燃性气体的吸附材料；

供给放出机构，通过供给路向上述吸附塔供给含有可燃性气体以及空气的原料气体，并且将上述原料气体中没有吸附于上述吸附材料的排气通过放出路而放出至上述吸附塔的外部；

收集机构，将上述吸附塔内减压为低于大气压而将吸附于上述吸附材料的可燃性气体解吸并通过收集路进行收集；

控制机构，顺次进行下述工序：

可燃性气体的吸附工序，利用上述供给放出机构向上述吸附塔供给上述原料气体并且从上述吸附塔放出上述排气、和

可燃性气体的解吸工序，利用上述收集机构收集被解吸的上述可燃性气体，

其特征在于，

设置检测机构，在上述可燃性气体的吸附工序中检测从上述吸附塔排出的可燃性气体浓度，

设置有：

气体浓度运算部，基于来自上述检测机构的输出而求得可燃性气体浓度；

计时部，对上述可燃性气体的吸附工序的经过时间进行计时；

运转条件设定部，设定各吸附塔的运转状态的切换条件；

切换控制部，基于由上述运转条件设定部设定的各设定时间，切换控制各吸附塔的运转状态，

上述运转条件设定部为，

根据从上述吸附塔排出的可燃性气体浓度的阈值以及自上述可燃性气体的吸附工序开始的经过时间来判定令上述可燃性气体的吸附工序结束的吸附结束时刻，

从表示由上述检测机构检测到的可燃性气体浓度和用于修正上述阈值以及上述经过时间的气体浓度修正值的对应关系的出口侧控制数据，求得将上述阈值以及上述经过时间修正为与当前从所述吸附塔排出的可燃性气体浓度对应的上述阈值及上述经过时间的修正值，设定为下一个循环的新的上述阈值以及上述经过时间的修正值。

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