JP2004067946A - ガスタービン用燃料としての嫌気性消化発酵ガスの精製システムおよび精製方法 - Google Patents
ガスタービン用燃料としての嫌気性消化発酵ガスの精製システムおよび精製方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】嫌気性消化発酵ガスの精製を行う場合において、嫌気性消化発酵ガス中に含まれる酸性ガスが溶け込むことにより金属を腐食させる要因となる水蒸気を十分に除去することができる精製システムを提供する。
【解決手段】メタン、二酸化炭素、硫黄化合物および水蒸気を含む嫌気性消化発酵ガスをガスタービン用燃料として用いるために精製するシステムは、上記硫黄化合物を除去する脱硫手段１と、上記脱硫手段１により硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスを圧縮する圧縮手段２０と、上記圧縮手段２０により圧縮された嫌気性消化発酵ガスを冷却する冷却手段２１と、上記冷却手段２１により生じたドレン水をシステムの外部に排出するドレン排出手段５ｄと、を備え、嫌気性消化発酵ガスから所定レベル以下まで水蒸気を除去する脱湿手段として、圧力スイング吸着法により水蒸気を吸脱着する吸着剤が充填された吸着塔３０，３１を含んでいる。
【選択図】 図１
【解決手段】メタン、二酸化炭素、硫黄化合物および水蒸気を含む嫌気性消化発酵ガスをガスタービン用燃料として用いるために精製するシステムは、上記硫黄化合物を除去する脱硫手段１と、上記脱硫手段１により硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスを圧縮する圧縮手段２０と、上記圧縮手段２０により圧縮された嫌気性消化発酵ガスを冷却する冷却手段２１と、上記冷却手段２１により生じたドレン水をシステムの外部に排出するドレン排出手段５ｄと、を備え、嫌気性消化発酵ガスから所定レベル以下まで水蒸気を除去する脱湿手段として、圧力スイング吸着法により水蒸気を吸脱着する吸着剤が充填された吸着塔３０，３１を含んでいる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水汚泥や畜産糞尿、厨芥ゴミなどを嫌気性消化発酵させることによって発生するメタンおよび二酸化炭素を主成分として含む嫌気性消化発酵ガスを、発電用燃料として使用するための精製を行う精製システムおよびその精製システムを用いた精製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
近年、地球温暖化防止などを背景に資源リサイクルとして、家畜糞尿や都市の厨芥ゴミ、下水処理場の汚泥などといった廃棄物を嫌気性消化発酵させることにより発生する嫌気性消化発酵ガスが発電用燃料として利用されている。特に、嫌気性消化発酵ガスをガスタービンに導入し、このガスタービンを駆動させることにより上記廃棄物を電気や熱などのエネルギーに変換する技術が注目されている。より具体的には、畜産糞尿を微生物（メタン発酵菌）により分解するメタン発酵処理で発生したバイオガスをマイクロガスタービン（３００ｋＷ未満の発電能力を有するガスタービン）に燃料として供給し、発電を行うといったものが挙げられる。
【０００３】
一般的に嫌気性消化発酵ガスは、メタンおよび二酸化炭素を主成分とするガスであり、不純物として、水蒸気と、硫化水素、ジメチルサルファイド及びメチルメルカプタンなどの硫黄化合物などを含んでいる。
【０００４】
水蒸気は、圧縮および／または冷却することにより飽和水蒸気圧を超えた分が液化する。この液化した水には、嫌気性消化発酵ガス中に多く含まれる二酸化炭素が溶け込むため、これが金属を腐食させる要因となる。したがって、水蒸気の除去が不十分な嫌気性消化発酵ガスを発電用燃料として、たとえばガスタービンに供給すると、高速回転するガスタービンの羽根やガスタービンを構成する付属品が腐食するなどの影響が懸念される。また、硫黄化合物の中でも最も多く含まれている硫化水素は、腐食性のガスである。そのため、ガス圧縮機や配管系統などに与える影響も大きく、また燃焼により亜硫酸ガスが生成するため、ガスタービンの前段で除去しておくことが必要である。
【０００５】
しかしながら、従来の嫌気性消化発酵ガスを精製するシステムでは、硫化水素は、公知の脱硫塔を用いて吸着除去することによりガス圧縮機や配管系統への影響が十分に抑制されていたが、水蒸気の除去、つまり嫌気性消化発酵ガスの脱湿は、不十分であった。具体的には、嫌気性消化発酵ガスを圧縮機および冷却器を用いて圧縮および冷却し、飽和水蒸気圧を超えた分を液化させ、ドレン水として排出することにより水分除去を行っていたが、嫌気性消化発酵ガス中の高濃度の二酸化炭素が水分の存在により、過酷な動作条件で動作するガスタービンの腐食を引き起こしていた。
【０００６】
本発明は、このような事情のもとに考えだされたものであって、嫌気性消化発酵ガスの精製を行う場合において、嫌気性消化発酵ガス中に含まれる高濃度の二酸化炭素が金属を腐食させる要因となる水蒸気を、たとえばガスタービンに導入される前に十分に除去することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するため、本発明では次の技術的手段を講じている。
【０００８】
すなわち、本発明の第１の側面によれば、メタン、二酸化炭素、硫黄化合物および水蒸気を含む嫌気性消化発酵ガスをガスタービン用燃料として用いるために精製する方法であって、上記硫黄化合物の除去を行う脱硫ステップと、硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスを圧縮した後に冷却して生じたドレン水を排出するステップと、を含んでおり、圧力スイング吸着法により水蒸気を吸脱着する吸着剤が充填された吸着塔に嫌気性消化発酵ガスを導入して、嫌気性消化発酵ガスから所定レベル以下まで水蒸気を除去する脱湿ステップをさらに含んでいることを特徴とする、嫌気性消化発酵ガスの精製方法が提供される。
【０００９】
以上の精製方法によれば、嫌気性消化発酵ガスは、従来と同様の脱硫処理を受けた後に、上記圧縮および冷却により生じたドレン水を排出して水分除去されるのに加え、上記脱湿ステップにて圧力スイング吸着法によりさらに脱湿される。これにより、嫌気性消化発酵ガスは、たとえば高速で回転するガスタービンに高濃度の二酸化炭素が腐食の影響を与えない程度にまで脱湿される。そのため、上記精製方法を用いた精製により十分脱湿された嫌気性消化発酵ガスを発電用燃料としてガスタービンに供給しても、高速回転するガスタービンの羽根などの腐食を抑制することができる。したがって、嫌気性消化発酵ガスを発電用燃料として、より好ましい状態にて供給することが可能となる。
【００１０】
上記脱湿ステップは、上記吸着塔に導入された嫌気性消化発酵ガスが露点−４０℃以下になるまで脱湿を行うことが好ましい。
【００１１】
本発明の第１の側面における好適な実施形態に係る精製方法は、上記吸着剤を再生する際に前記吸着塔外に放出される減圧ガスを、上記脱硫ステップにより硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスと混合するリサイクルステップをさらに含む。この実施形態によれば、リサイクルステップにより減圧ガスを全量リサイクルすることにより、減圧ガス中に含まれるメタンを徹底回収することができ、最終的にメタンの回収効率を１００％にすることができる。したがって、発電用燃料ガスの主成分であるメタンのロスをなくすことでき、無駄なく嫌気性消化発酵ガスの精製が行える。
【００１２】
但し、上記リサイクルステップにおいて、上記減圧ガスの一部をリサイクルせずに系外に排出させてもよい。吸着塔内からの排出初期における減圧ガスは、吸着塔の空隙部に残留している塔内残留ガスであり、その組成はメタンの割合が高い。また、吸着塔内からの放出末期における減圧ガスは、吸着剤から脱着される脱着ガスであり、その組成は二酸化炭素や水蒸気を含む割合が高い。したがって、上記排出初期における減圧ガスをリサイクルステップにおいて回収し、残りの減圧ガスを系外に排出することにより、最終的に精製ガスとして回収される嫌気性消化発酵ガス中のメタン濃度を高めることができる。これにより、たとえば供給された原料ガスとしての嫌気性消化発酵ガス中のメタン濃度がガスタービンを駆動させるのに不十分な場合でも、駆動可能な発熱量を有する程度までメタンを濃縮することが可能となる。
【００１３】
本発明においては、このような精製方法を用いて嫌気性消化発酵ガスの精製を行う精製システムも提供される。すなわち、本発明の第２の側面によれば、メタン、二酸化炭素、硫黄化合物および水蒸気を含む嫌気性消化発酵ガスをガスタービン用燃料として用いるために精製するシステムであって、上記硫黄化合物を除去する脱硫手段と、上記脱硫手段により硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスを圧縮する圧縮手段と、上記圧縮手段により圧縮された嫌気性消化発酵ガスを冷却する冷却手段と、上記冷却手段により生じたドレン水をシステムの外部に排出するドレン排出手段と、を備え、嫌気性消化発酵ガスから所定レベル以下まで水蒸気を除去する脱湿手段として、圧力スイング吸着法により水蒸気を吸脱着する吸着剤が充填された吸着塔を含むことを特徴とする、嫌気性消化発酵ガスの精製システムが提供される。
【００１４】
好ましくは、上記水蒸気を吸着する機能を有する吸着剤としては、アルミナを主成分として含んでいるものが用いられる。このような吸着剤は、加圧により水蒸気に対して優れた吸着機能を発揮し、減圧により比較的容易に吸着した水蒸気を脱着させるので、サイクル的に繰り返し使用することができる。なお、吸着剤としては、水蒸気の吸着に伴い二酸化炭素の吸着も行えるものが、メタンの濃縮を図る必要がある場合にはより好ましい。
【００１５】
好ましくは、上記脱硫手段で用いられる吸着塔には、脱硫のための吸着剤に加え、シロキサンを吸着する機能を有する吸着剤がさらに充填されている。
【００１６】
特に下水汚泥を嫌気性消化発酵させた場合、嫌気性消化発酵ガス中には不純物として、シャンプーやリンスなどの柔軟剤やカーワックスなどの撥水剤に由来するシロキサンが含まれている。シロキサンは、ケイ素化合物であり、燃焼により粒子状の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を生成するので、たとえばシロキサンを含む嫌気性消化発酵ガスをガスタービンに導入すると、タービン内部の磨耗や排熱回収ボイラの効率低下などを引き起こす。そこで、嫌気性消化発酵ガスを、シロキサンを吸着する機能を有する吸着剤が充填された吸着塔に導入し、通過させることにより、嫌気性消化発酵ガスからシロキサンの除去が行われる。これにより、タービン内部の磨耗や排熱回収ボイラの効率低下が抑制される。なお、シロキサンを吸着する機能を有する吸着剤としては、活性炭が好ましい。
【００１７】
本発明の第２の側面における好適な実施形態によれば、精製システムは、上記水蒸気を吸脱着する吸着剤を上記圧力スイング吸着法により再生する際に吸着塔外に放出される減圧ガスを、上記脱硫手段により硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスと混合して、上記圧縮手段に導入するためのリサイクル手段をさらに備えている。また、上記リサイクル手段は、上記減圧ガスの一部を系外に排出するための減圧ガス排出手段を有していてもよい。これらの構成による技術的意義については、本発明の第１の側面の好適な実施形態について述べたのと同様である。
【００１８】
本発明においては、以上のような精製方法および精製システムにより精製を行った嫌気性消化発酵ガスをガスタービン用燃料として用いる発電システムも提供される。すなわち、本発明の第３の側面によれば、上記精製システムに加えて、ガスタービンをさらに備えることを特徴とする発電システムが提供される。
【００１９】
このような発電システムによれば、ガスタービン、特にマイクロガスタービン（３００ｋＷ未満の発電能力を有するガスタービン）は、たとえば燃料電池による発電設備に比べイニシャルコストの面で有利である。また、マイクロガスタービンはシステムが簡単であるため、工事やメンテナンスも容易に行えるとともに、容量が小さいため、中小規模でも経済性を確保しつつ利用できる。しかも、嫌気性消化発酵ガス中に含まれ、マイクロガスタービンに対して悪影響を与える可能性のある水蒸気や硫黄化合物、場合によってはシロキサンを上記精製システムおよび精製方法を用いて精製することにより取り除くことができるので、この精製された嫌気性消化発酵ガスを用いることは、たとえばガスタービンの腐食が抑制されるなど、ガスタービンに対し好適である。
【００２０】
本発明の第１の側面についても説明したように、上記ガスタービンには、露点−４０℃以下になるまで脱湿された嫌気性消化発酵ガスが上記精製システムから供給されるように構成されるのが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照して具体的に説明する。
【００２２】
本発明の第１の実施形態に係る嫌気性消化発酵ガスの精製システムＸおよびその精製方法を図１ないし図３を参照して説明する。なお、この精製システムＸに供給される原料ガスとして、下水汚泥を嫌気性消化発酵させることにより生成される嫌気性消化発酵ガスを用いた。この嫌機性消化発酵ガスは、メタンおよび二酸化炭素を主成分とし、不純物として、硫黄化合物、シロキサン、水蒸気などを含んでいる。
【００２３】
精製システムＸは、脱硫塔１と、マイクロガスタービン付帯装置２、ＰＳＡ分離装置３と、リサイクルライン４とを有している。
【００２４】
脱硫塔１は、原料ガス入口１ａと、原料ガスから不純物の一部を除去した第１精製ガスを取り出す第１精製ガス出口１ｂとを有しており、その内部には硫黄化合物を除去する脱硫部１１と、シロキサンを除去するシロキサン除去部１２とを有している。なお、脱硫塔１は、１つに限らず複数塔を並列的に設けてもよい。
【００２５】
脱硫塔１の原料ガス入口１ａは、原料ガス供給用配管５ａを介して原料ガス供給部６に繋げられている。また、脱硫塔１の第１精製ガス出口１ｂは、第１精製ガス供給用配管５ｂ、後述する連結部４１および共用配管５ｃを介してマイクロガスタービン付帯装置２に繋げられている。
【００２６】
脱硫部１１は、硫化水素、ジメチルサルファイドおよびメチルメルカプタンなどの硫黄化合物に対して吸着能力を有する吸着剤が充填されている。この吸着剤としては、たとえば酸化鉄を主成分とする脱硫剤が挙げられる。
【００２７】
シロキサン除去部１２は、シロキサンに対して吸着能力を有する吸着剤が脱硫部１１として充填されている吸着剤に積層する形で充填されている。この吸着剤としては、たとえば活性炭などの多孔質吸着剤が挙げられる。なお、シロキサン除去部１２にも硫黄化合物に対する高い吸着性能を持たせるために、たとえば活性炭にアルカリ剤を添着したものを吸着剤として用いてもよい。
【００２８】
マイクロガスタービン付帯装置２は、圧縮機２０と、ガスクーラー２１とを有している。圧縮機２０は、第１精製ガスと後述するリサイクルガスとの混合ガスを供給する混合ガス入口２０ａと、圧縮された混合ガスを取り出す圧縮混合ガス出口２０ｂとを有している。ガスクーラー２１は、圧縮混合ガス出口２０ｂ付近に設けられており、ドレン水を排出するためのドレン水排出口２１ａと、一部脱湿された圧縮混合ガスである第２精製ガスを取り出す第２精製ガス出口２１ｂとを有している。ドレン水排出口２１ａは、ドレン水回収用配管５ｄを介してドレン水回収部７に繋げられている。
【００２９】
ＰＳＡ分離装置３は、吸着塔３０，３１を有している。吸着塔３０，３１は、それぞれ第２精製ガス入口３０ａ，３１ａと、最終精製ガス出口３０ｂ，３１ｂとを有しており、その内部には水蒸気に対して吸着能力を有する吸着剤が充填されている。水蒸気に対して吸着能力を有する吸着剤としては、アルミナを主成分とする吸着剤が挙げられる。なお、吸着剤としては、水蒸気の吸着に伴い二酸化炭素の吸着も行えるものが、より好ましい。また、吸着塔３０，３１は、２塔に限らず、１塔でも、３塔以上でもよい。
【００３０】
第２精製ガス入口３０ａは、第２精製ガス供給用配管５ｆ，５ｅを介して第２精製ガス出口２１ｂに繋げられ、さらに減圧ガス用配管５ｌを介してリサイクルライン４に繋げられている。なお、第２精製ガス供給用配管５ｆおよび減圧ガス用配管５ｌには、それぞれ自動弁８ａ，８ｂが設けられている。なお、ここで減圧ガスとは、吸着が行われた吸着塔３０，３１内に充填された吸着剤を再生する際に塔外に排出される塔内残留ガスや吸着剤からの脱着ガスなどを含むガスである。
【００３１】
第２精製ガス入口３１ａは、第２精製ガス供給用配管５ｇ，５ｅを介して第２精製ガス出口２１ｂに繋げられ、さらに減圧ガス用配管５ｍを介してリサイクルライン４に繋げられている。なお、第２精製ガス供給用配管５ｇおよび減圧ガス用配管５ｍには、それぞれ自動弁８ｃ，８ｄが設けられている。
【００３２】
最終精製ガス出口３０ｂは、最終精製ガス用配管５ｈおよび最終精製ガス回収用配管５ｉを介して精製ガス回収部９に繋げられ、最終精製ガス出口３１ｂは、最終精製ガス用配管５ｊおよび最終精製ガス回収用配管５ｉを介して精製ガス回収部９に繋げられている。また、最終精製ガス回収用配管５ｈ，５ｊは、昇圧用配管５ｋにより互いに連結されている。なお、最終精製ガス用配管５ｈ，５ｊおよび昇圧用配管５ｋには、それぞれ自動弁８ｅ，８ｆ，８ｇが設けられている。
【００３３】
リサイクルライン４は、減圧ガス用共用配管５ｎと、リサイクルガス用配管５ｏとを有しており、減圧ガス用共用配管５ｎとリサイクルガス用配管５ｏとの間にはバッファタンク４０が設けられている。また、減圧ガス用共用配管５ｎには、自動弁８ｈが設けられている。なお、ここでいうリサイクルガスとは、吸着塔３０，３１から放出された減圧ガスのうち、バッファタンク４０で圧力変動が緩和されたガスである。
【００３４】
リサイクルライン４は、減圧ガス用配管５ｌ，５ｍから導入される減圧ガスが、減圧ガス用共用配管５ｎと、バッファタンク４０と、リサイクルガス用配管５ｏとを介して第１精製ガス供給用配管５ｂと共用配管５ｃとの連結点４１に繋げられている。なお、バッファタンク４０は、吸着塔３０，３１から放出される減圧ガスの圧力が、排出開始時から排出終了時まで経時的に変化するため、この圧力変動幅を緩和する目的で設けられており、圧力変動幅が０〜０．５ｋＰａの範囲内となるようにバッファタンク４０の大きさが定められている。
【００３５】
リサイクルライン４において、減圧ガス用共用配管５ｎには、さらに減圧ガス回収用配管５ｐが設けられている。これにより、リサイクルライン４は、この減圧ガス回収用配管５ｐを介して減圧ガス回収部１０に繋げられている。減圧ガス回収用配管５ｐには、自動弁８ｉが設けられている。
【００３６】
そして、各自動弁８ａ〜８ｉの開閉状態を適宜切り替えることにより、各配管５ａ〜５ｐでのガスの流れ状態が調整される。各吸着塔３０，３１においては、自動弁８ａ〜８ｇの切替状態に応じて、吸着剤への水蒸気の吸着を目的とする脱湿工程と、減圧ガスを排出し、吸着剤の再生を図ることを目的とする再生工程と、再生工程後の吸着塔３０，３１内の圧力を上げる昇圧工程とが繰り返し行われる。但し、再生工程の一部として、最終精製ガスをパージガスとして用いるパージ工程を追加してもよいし、さらに圧力スイング吸着法で一般的に用いられている均圧工程などを追加してもよい。
【００３７】
本実施形態においては、以上のように構成された精製システムＸを用いて、原料ガスから不純物を除去することにより、精製された嫌気性消化発酵ガスが得られる。この精製方法を、この精製システムＸに供給される原料ガスとして、下水汚泥を嫌気性消化発酵させることにより生成される嫌気性消化発酵ガスを用い、マイクロガスタービンの発電用燃料ガスとして精製する場合を例にとって図１ないし図３を参照しつつ、具体的に説明する。
【００３８】
原料ガス供給部６からの原料ガスは、たとえば約２００ｍｍＨ２Ｏの水柱圧力を有し、かつ原料ガス供給用配管５ａおよび原料ガス入口１ａを介して脱硫塔１に導入される。
【００３９】
脱硫塔１内に供給された原料ガスは、脱硫部１１で原料ガスに含まれる硫黄化合物が吸着除去される。これにより、たとえば原料ガス中に１００ｐｐｍ〜６００ｐｐｍの濃度で存在する硫黄化合物、中でも特に硫化水素の濃度を１ｐｐｍ以下にまで下げることができる。次いで、硫黄化合物の除去を行った原料ガスは、シロキサン除去部１２に導入され、ここで原料ガスに含まれるシロキサンが吸着除去される。これにより、たとえば原料ガス中に１００ｍｇ／ｍ３程度の濃度で存在するシロキサンを５ｍｇ／ｍ３以下にまで下げることができる。したがって、原料ガスは、脱硫塔１を通過することにより、原料ガスから硫黄化合物とシロキサンが除去された第１精製ガスとして、第１精製ガス出口１ｂから排出される。
【００４０】
第１精製ガスは、たとえば約１００ｍｍＨ２Ｏの水柱圧力を有し、第１精製ガス供給用配管５ｂを介して、連結点４１に導入される。連結点４１では、第１精製ガスは、リサイクルガスと混合され混合ガスとなる。この混合ガスは、共用配管５ｃを介して圧縮機２０に導入される。圧縮機２０では、導入された混合ガスを圧縮することにより３〜１０ｋＰａ、好ましくは４〜６ｋＰａにまで昇圧する。
【００４１】
次いで、圧縮機２０により所定圧力まで圧縮された混合ガスを圧縮混合ガス出口２０ｂ付近に設けられたガスクーラー２１により冷却する。これにより、飽和蒸気圧曲線に応じて、圧縮混合ガス中の水蒸気が一部液化され、ドレン水としてドレン水回収用配管５ｄを介してドレン水回収部７に回収されるとともに、一部脱湿された圧縮ガスは、第２精製ガスとして第２精製ガス出口２１ｂから排出される。
【００４２】
第２精製ガスは、第２精製ガス供給用配管５ｅを介してＰＳＡ分離装置３に供給される。ＰＳＡ分離装置３における吸着塔３０，３１では、図２に示すようなタイミングで各工程（ステップ）が行われ、ステップ１〜４を１サイクルとして、このようなサイクルが繰り返し行われる。なお、図２には、各ステップにおける各弁８ａ〜８ｇの開閉状態を示し、図３（ａ）〜（ｄ）には、各ステップに対応するＰＳＡ分離装置３のガスの流れ図を示した。
【００４３】
ステップ１においては、図２に示したように吸着塔３０では吸着工程、吸着塔３１では再生工程が行われており、図３（ａ）に示したようなガス流れ状態とされている。
【００４４】
図１および図３（ａ）に示したように、吸着塔３０には、第２精製ガス供給用配管５ｅ，５ｆおよび自動弁８ａを介して第２精製ガスが導入される。吸着塔３０では、吸着剤により水蒸気などが除去されて最終精製ガスが塔外に導出される。最終精製ガスは、自動弁８ｅおよび最終精製ガス用配管５ｈおよび最終精製ガス回収用配管５ｉを介して精製ガス回収部９に回収される。
【００４５】
一方、吸着塔３１は、自動弁８ｃ，８ｆ，８ｇが閉鎖され、自動弁８ｄが開放状態とされている。これにより、吸着塔３１の内部では吸着剤に吸着されていた水蒸気などが脱着し、これが吸着塔３１の塔内残留ガスとともに塔外に排出される。この減圧ガスは、減圧ガス用配管５ｍおよび自動弁８ｄを介してリサイクルライン４に導入される。
【００４６】
ステップ２においては、図２に示したように吸着塔３０では追加の吸着工程、吸着塔３１では昇圧工程が行われており、図３（ｂ）に示したようなガス流れ状態とされている。
【００４７】
図１および図３（ｂ）に示したように、ステップ２では、吸着塔３０には、ステップ１と同様にして第２精製ガスが引き続き導入され、最終精製ガスが塔外に導出される。最終精製ガスは、ステップ１と同様にして回収されるが、その一部が最終精製ガス用配管５ｈ、昇圧用配管５ｋ、自動弁８ｇ、最終精製ガス用配管５ｊを介して吸着塔３１に導入され、吸着塔３１の塔内の昇圧が行われる。なお、このステップ２は必須ではなく、再生工程を経た吸着塔３１に直ちに第２精製ガスを供給して、昇圧の過程において吸着工程が開始するようにしてもよい。
【００４８】
ステップ３，４においては、図２および図３（ｃ），（ｄ）に示したように、吸着塔３０ではステップ１，２における吸着塔３１と同様にして再生工程および昇圧工程が行われ、吸着塔３１ではステップ１，２における吸着塔３０と同様にして２つのステップ分連続して吸着工程が行われる。そして、以上に説明したステップ１〜４を各吸着塔３０，３１において繰り返し行うことにより、第２精製ガスから水蒸気が例えば露点−４０℃以下まで除去され、原料ガスから不純物（硫黄化合物、シロキサン、水蒸気）が除去された最終精製ガスが連続的に得られる。ここで、吸着工程と再生工程の所要時間は、それぞれ１〜６分、好ましくは３〜４分であり、吸着圧力は、４〜６ｋＰａの範囲で、脱着圧力は、０〜０．５ｋＰａの範囲である。なお、吸着塔３０，３１における各工程は、上記したものに限られず、吸着塔数や必要に応じて定めればよい。
【００４９】
ＰＳＡ分離装置３より、減圧ガス用配管５ｌおよび自動弁８ｂを介して、あるいは減圧ガス用配管５ｍおよび自動弁８ｄを介して放出された減圧ガスは、リサイクルライン４に導入される。本実施形態において、自動弁８ｉは常に閉鎖状態にあり（他の実施形態で同様の精製システムを用いる際に使用される）、減圧ガスはすべて減圧ガス用配管５ｎおよび自動弁８ｈを介してバッファタンク４０に導入される。
【００５０】
バッファタンク４０に一時的に蓄えられ、吸着塔３０，３１から排出される際に生じる圧力変動が緩和された減圧ガスは、リサイクルガスとしてリサイクルガス用配管５ｏを介して連結点４１に導入され、ここで第１精製ガスと混合される。この混合されたガスは混合ガスとして圧縮機２０に共用配管５ｃを介して供給される。なお、バッファタンク４０内の圧力変動幅を０〜０．５ｋＰａの範囲に抑えることにより、ＰＳＡ分離装置３の脱湿性能に与える影響を抑制しつつ、減圧ガスの回収を行うことができる。
【００５１】
本実施形態において、全ての減圧ガスをリサイクルするようにしたことにより、メタンおよび二酸化炭素は最終的にすべて最終精製ガス回収部９に回収される。また、ドライベースにおける原料ガス中のメタンと二酸化炭素の組成において、硫黄化合物やシロキサンの存在比はメタンや二酸化炭素に比べかなり小さいので、ドライベースにおける最終精製ガス中のメタンと二酸化炭素の組成比は、最終的にドライベースにおける原料ガス中のメタンと二酸化炭素の組成比とほぼ同じとなる。したがって、原料ガスがマイクロガスタービンを駆動させるのに十分な発熱量を有していれば、最終精製ガスにおいても十分な発熱量を有していることになるので、原料ガス中のメタンを無駄にすることなく、不純物が除去された嫌気性消化発酵ガスを発電用燃料ガスとして回収することが可能となる。
【００５２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る嫌気性消化発酵ガスの精製システムＸおよび精製方法を図１ないし図３を参照して説明する。
【００５３】
本実施形態において、使用する精製システムおよび原料ガスは、先に説明した精製システムＸおよび原料ガスと同一であるので、その説明は省略する。また、精製方法においても、減圧ガスを全量リサイクルするのではなく、一部をリサイクルし、残りを減圧ガス回収部１０に回収するようにした以外は同様の操作が行われるため、同様の操作を行う部分の説明は省略する。なお、本実施形態においては、ＰＳＡ分離装置３から排出される減圧ガスの内、排出初期から排出総量の４０％をリサイクルライン４によりリサイクルし、残り６０％を減圧ガス回収部１０に回収する場合を例にとって説明を行う。
【００５４】
ＰＳＡ分離装置３より、減圧ガス用配管５ｌおよび自動弁８ｂを介して、あるいは減圧ガス用配管５ｍおよび自動弁８ｄを介して排出された減圧ガスは、リサイクルライン４に導入される。減圧初期において、自動弁８ｉは閉鎖状態にあり、減圧ガスは減圧ガス用配管５ｎおよび自動弁８ｈを介してバッファタンク４０に導入される。減圧ガスを減圧初期から放出総量の４０％リサイクルした後、残りの減圧ガスは、自動弁８ｈを閉鎖状態にするとともに自動弁８ｉを開放することにより、減圧ガス回収用配管５ｐおよび自動弁８ｉを介して減圧ガス回収部１０に回収される。
【００５５】
本実施形態において、減圧ガスのリサイクルされる割合は、上記した例示のものに限らず、必要に応じて任意に決定すればよい。なお、その決定を行うために、精製システムＸの原料ガス供給部６および／または精製ガス回収部９にメタン濃度測定装置を設け、その結果に基づいて減圧ガスのリサイクル割合をコンピューターにより決定するようにしてもよい。さらに、事前に原料ガスの組成が分かっている場合には、濃度測定を行うことなく、その組成を予めコンピューターに入力しておき、そこでの計算に基づきリサイクル割合の決定およびそれに応じた自動弁８ｈ，８ｉの制御を行うようにしてもよい。
【００５６】
減圧ガスの組成は減圧初期から経時的に変化するが、減圧初期では吸着塔３０，３１内のメタン濃度の高い塔内残留ガスが減圧ガスとして放出され、減圧末期では吸着剤から脱着された水蒸気や二酸化炭素の濃度が高い脱着ガスが減圧ガスとして放出される。そのため、減圧初期におけるメタン濃度の高い減圧ガスをリサイクルし、水蒸気や二酸化炭素の濃度が高い減圧ガスを減圧ガス回収部１０に回収することにより、ドライベースにおける最終精製ガス中のメタン濃度は、ドライベースにおける原料ガス中のメタン濃度に比べて高くなる。したがって、原料ガス中のメタン濃度が低く、そのままの濃度では、マイクロガスタービンを駆動できない場合でも、本実施形態における精製システムＸおよび精製方法を用いることにより、最終精製ガスのメタン濃度をマイクロガスタービンが駆動可能な発熱量を有する程度まで高めることが可能となる。
【００５７】
【実施例】
次に、本発明の有用性を実施例により説明する。
【００５８】
【実施例１】
本実施例では、図１に示した精製システムＸを用いて、ＰＳＡ分離装置３から排出される減圧ガスを全量リサイクルする方法（本発明の第１の実施形態に係る方法）により、以下に示す条件下で原料ガスから不純物（硫黄化合物、シロキサンおよび水蒸気）の除去を行った。図４に示したように精製システム可動時における各ポイントＩ〜ＩＩＩでのガス組成を平均した結果を表１に示した。なお、ＤＰは、露点を示す。
【００５９】
脱硫部１１に充填する吸着剤として酸化鉄を主成分とする脱硫剤、シロキサン除去部１２に充填する吸着剤として活性炭を用いた。また、ＰＳＡ分離装置３内の吸着塔３０，３１の内部には、それぞれアルミナが充填されている。原料ガスとしては、ドライベースで、メタン６０％（容積基準）および二酸化炭素４０％（容積基準）を含み、不純物として、さらに水分１０．９％（容積基準）、硫黄化合物４９０ｐｐｍ、シロキサン９５ｍｇ／ｍ３を含むものを使用した。この原料ガスは、ドライベースで５６Ｎｍ３／ｈｒで供給した。
【００６０】
【表１】
【００６１】
【実施例２】
本実施例では、図１に示した精製システムＸを用いて、ＰＳＡ分離装置３から放出される減圧ガスの一部をリサイクルし、一部を減圧ガス回収部１０に回収する方法（本発明の第２の実施形態に係る方法）により、以下に示す条件下で原料ガスから不純物（硫黄化合物、シロキサンおよび水蒸気）を除去するとともに、メタンの濃縮を行った。図５に示したように精製システム可動時における各ポイントＩ〜ＶＩでのガス組成を平均した結果を表２に示した。なお、ＤＰは、露点を示す。
【００６２】
脱硫部１１およびシロキサン除去部１２に充填する吸着剤は、実施例１と同様のものを用いた。また、ＰＳＡ分離装置３内の吸着塔３０，３１の内部には、それぞれアルミナが充填されている。原料ガスとしては、ドライベースで、メタン３０％（容積基準）および二酸化炭素７０％（容積基準）を含み、不純物として、さらに水分４．０％（容積基準）、硫黄化合物９５ｐｐｍ、シロキサン８０ｍｇ／ｍ３を含むものを使用した。この原料ガスは、ドライベースで５６Ｎｍ３／ｈｒで供給した。
【００６３】
【表２】
【００６４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明における嫌気性消化発酵ガスの精製システムＸを用いた精製方法によれば、実施例１では、表１から明らかなように、不純物である硫黄化合物、シロキサンおよび水分の除去を行うとともに、減圧ガスを全量リサイクルすることにより、メタン濃度を維持したままメタンの回収が１００％行える。したがって、原料としての嫌気性消化発酵ガス中のメタンを無駄にすることなく不純物を除去し、発電用燃料として嫌気性消化発酵ガスを回収することができる。また、実施例２では、表２から明らかなように、不純物である硫黄化合物、シロキサンおよび水分の除去を行うとともに、減圧ガスのうち、メタン濃度の高い部分をリサイクルし、水蒸気や二酸化炭素の濃度が高い部分を減圧ガス回収部１０に回収したことにより、精製ガス回収部９に回収される発電用燃料としての嫌気性消化発酵ガスのメタン濃度を高めることができる。したがって、不純物の除去のみでは発電用燃料として発熱量が不十分な嫌気性消化発酵ガスを、マイクロガスタービンに対し発電用燃料として使用可能な程度（この場合メタン濃度５０％以上）にまで発熱量を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る嫌気性消化発酵ガスの精製システムの概略図である。
【図２】上記精製システムのＰＳＡ分離装置における各工程（ステップ）のタイミングおよび各ステップにおける各弁の開閉状態を示す図である。
【図３】上記各ステップに対応するガスの流れ図である。
【図４】本発明の実施例１におけるガス組成を測定する各ポイントを示す概略図である。
【図５】本発明の実施例２におけるガス組成を測定する各ポイントを示す概略図である。
【符号の説明】
Ｘ 嫌気性消化発酵ガスの精製システム
１ 脱硫塔（脱硫手段）
１ａ 原料ガス入口
１ｂ 第１精製ガス出口
２ マイクロガスタービン付帯装置
３ ＰＳＡ分離装置（脱湿手段）
４ リサイクルライン（リサイクル手段）
５ａ〜５ｐ 配管
６ 原料ガス供給部
７ ドレン水回収部
８ａ〜８ｉ 自動弁
９ 精製ガス回収部
１０ 減圧ガス回収部
１１ 脱硫部
１２ シロキサン除去部
２０ 圧縮機（圧縮手段）
２１ ガスクーラー（冷却手段）
３０，３１ 吸着塔
４０ バッファタンク
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水汚泥や畜産糞尿、厨芥ゴミなどを嫌気性消化発酵させることによって発生するメタンおよび二酸化炭素を主成分として含む嫌気性消化発酵ガスを、発電用燃料として使用するための精製を行う精製システムおよびその精製システムを用いた精製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
近年、地球温暖化防止などを背景に資源リサイクルとして、家畜糞尿や都市の厨芥ゴミ、下水処理場の汚泥などといった廃棄物を嫌気性消化発酵させることにより発生する嫌気性消化発酵ガスが発電用燃料として利用されている。特に、嫌気性消化発酵ガスをガスタービンに導入し、このガスタービンを駆動させることにより上記廃棄物を電気や熱などのエネルギーに変換する技術が注目されている。より具体的には、畜産糞尿を微生物（メタン発酵菌）により分解するメタン発酵処理で発生したバイオガスをマイクロガスタービン（３００ｋＷ未満の発電能力を有するガスタービン）に燃料として供給し、発電を行うといったものが挙げられる。
【０００３】
一般的に嫌気性消化発酵ガスは、メタンおよび二酸化炭素を主成分とするガスであり、不純物として、水蒸気と、硫化水素、ジメチルサルファイド及びメチルメルカプタンなどの硫黄化合物などを含んでいる。
【０００４】
水蒸気は、圧縮および／または冷却することにより飽和水蒸気圧を超えた分が液化する。この液化した水には、嫌気性消化発酵ガス中に多く含まれる二酸化炭素が溶け込むため、これが金属を腐食させる要因となる。したがって、水蒸気の除去が不十分な嫌気性消化発酵ガスを発電用燃料として、たとえばガスタービンに供給すると、高速回転するガスタービンの羽根やガスタービンを構成する付属品が腐食するなどの影響が懸念される。また、硫黄化合物の中でも最も多く含まれている硫化水素は、腐食性のガスである。そのため、ガス圧縮機や配管系統などに与える影響も大きく、また燃焼により亜硫酸ガスが生成するため、ガスタービンの前段で除去しておくことが必要である。
【０００５】
しかしながら、従来の嫌気性消化発酵ガスを精製するシステムでは、硫化水素は、公知の脱硫塔を用いて吸着除去することによりガス圧縮機や配管系統への影響が十分に抑制されていたが、水蒸気の除去、つまり嫌気性消化発酵ガスの脱湿は、不十分であった。具体的には、嫌気性消化発酵ガスを圧縮機および冷却器を用いて圧縮および冷却し、飽和水蒸気圧を超えた分を液化させ、ドレン水として排出することにより水分除去を行っていたが、嫌気性消化発酵ガス中の高濃度の二酸化炭素が水分の存在により、過酷な動作条件で動作するガスタービンの腐食を引き起こしていた。
【０００６】
本発明は、このような事情のもとに考えだされたものであって、嫌気性消化発酵ガスの精製を行う場合において、嫌気性消化発酵ガス中に含まれる高濃度の二酸化炭素が金属を腐食させる要因となる水蒸気を、たとえばガスタービンに導入される前に十分に除去することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するため、本発明では次の技術的手段を講じている。
【０００８】
すなわち、本発明の第１の側面によれば、メタン、二酸化炭素、硫黄化合物および水蒸気を含む嫌気性消化発酵ガスをガスタービン用燃料として用いるために精製する方法であって、上記硫黄化合物の除去を行う脱硫ステップと、硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスを圧縮した後に冷却して生じたドレン水を排出するステップと、を含んでおり、圧力スイング吸着法により水蒸気を吸脱着する吸着剤が充填された吸着塔に嫌気性消化発酵ガスを導入して、嫌気性消化発酵ガスから所定レベル以下まで水蒸気を除去する脱湿ステップをさらに含んでいることを特徴とする、嫌気性消化発酵ガスの精製方法が提供される。
【０００９】
以上の精製方法によれば、嫌気性消化発酵ガスは、従来と同様の脱硫処理を受けた後に、上記圧縮および冷却により生じたドレン水を排出して水分除去されるのに加え、上記脱湿ステップにて圧力スイング吸着法によりさらに脱湿される。これにより、嫌気性消化発酵ガスは、たとえば高速で回転するガスタービンに高濃度の二酸化炭素が腐食の影響を与えない程度にまで脱湿される。そのため、上記精製方法を用いた精製により十分脱湿された嫌気性消化発酵ガスを発電用燃料としてガスタービンに供給しても、高速回転するガスタービンの羽根などの腐食を抑制することができる。したがって、嫌気性消化発酵ガスを発電用燃料として、より好ましい状態にて供給することが可能となる。
【００１０】
上記脱湿ステップは、上記吸着塔に導入された嫌気性消化発酵ガスが露点−４０℃以下になるまで脱湿を行うことが好ましい。
【００１１】
本発明の第１の側面における好適な実施形態に係る精製方法は、上記吸着剤を再生する際に前記吸着塔外に放出される減圧ガスを、上記脱硫ステップにより硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスと混合するリサイクルステップをさらに含む。この実施形態によれば、リサイクルステップにより減圧ガスを全量リサイクルすることにより、減圧ガス中に含まれるメタンを徹底回収することができ、最終的にメタンの回収効率を１００％にすることができる。したがって、発電用燃料ガスの主成分であるメタンのロスをなくすことでき、無駄なく嫌気性消化発酵ガスの精製が行える。
【００１２】
但し、上記リサイクルステップにおいて、上記減圧ガスの一部をリサイクルせずに系外に排出させてもよい。吸着塔内からの排出初期における減圧ガスは、吸着塔の空隙部に残留している塔内残留ガスであり、その組成はメタンの割合が高い。また、吸着塔内からの放出末期における減圧ガスは、吸着剤から脱着される脱着ガスであり、その組成は二酸化炭素や水蒸気を含む割合が高い。したがって、上記排出初期における減圧ガスをリサイクルステップにおいて回収し、残りの減圧ガスを系外に排出することにより、最終的に精製ガスとして回収される嫌気性消化発酵ガス中のメタン濃度を高めることができる。これにより、たとえば供給された原料ガスとしての嫌気性消化発酵ガス中のメタン濃度がガスタービンを駆動させるのに不十分な場合でも、駆動可能な発熱量を有する程度までメタンを濃縮することが可能となる。
【００１３】
本発明においては、このような精製方法を用いて嫌気性消化発酵ガスの精製を行う精製システムも提供される。すなわち、本発明の第２の側面によれば、メタン、二酸化炭素、硫黄化合物および水蒸気を含む嫌気性消化発酵ガスをガスタービン用燃料として用いるために精製するシステムであって、上記硫黄化合物を除去する脱硫手段と、上記脱硫手段により硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスを圧縮する圧縮手段と、上記圧縮手段により圧縮された嫌気性消化発酵ガスを冷却する冷却手段と、上記冷却手段により生じたドレン水をシステムの外部に排出するドレン排出手段と、を備え、嫌気性消化発酵ガスから所定レベル以下まで水蒸気を除去する脱湿手段として、圧力スイング吸着法により水蒸気を吸脱着する吸着剤が充填された吸着塔を含むことを特徴とする、嫌気性消化発酵ガスの精製システムが提供される。
【００１４】
好ましくは、上記水蒸気を吸着する機能を有する吸着剤としては、アルミナを主成分として含んでいるものが用いられる。このような吸着剤は、加圧により水蒸気に対して優れた吸着機能を発揮し、減圧により比較的容易に吸着した水蒸気を脱着させるので、サイクル的に繰り返し使用することができる。なお、吸着剤としては、水蒸気の吸着に伴い二酸化炭素の吸着も行えるものが、メタンの濃縮を図る必要がある場合にはより好ましい。
【００１５】
好ましくは、上記脱硫手段で用いられる吸着塔には、脱硫のための吸着剤に加え、シロキサンを吸着する機能を有する吸着剤がさらに充填されている。
【００１６】
特に下水汚泥を嫌気性消化発酵させた場合、嫌気性消化発酵ガス中には不純物として、シャンプーやリンスなどの柔軟剤やカーワックスなどの撥水剤に由来するシロキサンが含まれている。シロキサンは、ケイ素化合物であり、燃焼により粒子状の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を生成するので、たとえばシロキサンを含む嫌気性消化発酵ガスをガスタービンに導入すると、タービン内部の磨耗や排熱回収ボイラの効率低下などを引き起こす。そこで、嫌気性消化発酵ガスを、シロキサンを吸着する機能を有する吸着剤が充填された吸着塔に導入し、通過させることにより、嫌気性消化発酵ガスからシロキサンの除去が行われる。これにより、タービン内部の磨耗や排熱回収ボイラの効率低下が抑制される。なお、シロキサンを吸着する機能を有する吸着剤としては、活性炭が好ましい。
【００１７】
本発明の第２の側面における好適な実施形態によれば、精製システムは、上記水蒸気を吸脱着する吸着剤を上記圧力スイング吸着法により再生する際に吸着塔外に放出される減圧ガスを、上記脱硫手段により硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスと混合して、上記圧縮手段に導入するためのリサイクル手段をさらに備えている。また、上記リサイクル手段は、上記減圧ガスの一部を系外に排出するための減圧ガス排出手段を有していてもよい。これらの構成による技術的意義については、本発明の第１の側面の好適な実施形態について述べたのと同様である。
【００１８】
本発明においては、以上のような精製方法および精製システムにより精製を行った嫌気性消化発酵ガスをガスタービン用燃料として用いる発電システムも提供される。すなわち、本発明の第３の側面によれば、上記精製システムに加えて、ガスタービンをさらに備えることを特徴とする発電システムが提供される。
【００１９】
このような発電システムによれば、ガスタービン、特にマイクロガスタービン（３００ｋＷ未満の発電能力を有するガスタービン）は、たとえば燃料電池による発電設備に比べイニシャルコストの面で有利である。また、マイクロガスタービンはシステムが簡単であるため、工事やメンテナンスも容易に行えるとともに、容量が小さいため、中小規模でも経済性を確保しつつ利用できる。しかも、嫌気性消化発酵ガス中に含まれ、マイクロガスタービンに対して悪影響を与える可能性のある水蒸気や硫黄化合物、場合によってはシロキサンを上記精製システムおよび精製方法を用いて精製することにより取り除くことができるので、この精製された嫌気性消化発酵ガスを用いることは、たとえばガスタービンの腐食が抑制されるなど、ガスタービンに対し好適である。
【００２０】
本発明の第１の側面についても説明したように、上記ガスタービンには、露点−４０℃以下になるまで脱湿された嫌気性消化発酵ガスが上記精製システムから供給されるように構成されるのが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照して具体的に説明する。
【００２２】
本発明の第１の実施形態に係る嫌気性消化発酵ガスの精製システムＸおよびその精製方法を図１ないし図３を参照して説明する。なお、この精製システムＸに供給される原料ガスとして、下水汚泥を嫌気性消化発酵させることにより生成される嫌気性消化発酵ガスを用いた。この嫌機性消化発酵ガスは、メタンおよび二酸化炭素を主成分とし、不純物として、硫黄化合物、シロキサン、水蒸気などを含んでいる。
【００２３】
精製システムＸは、脱硫塔１と、マイクロガスタービン付帯装置２、ＰＳＡ分離装置３と、リサイクルライン４とを有している。
【００２４】
脱硫塔１は、原料ガス入口１ａと、原料ガスから不純物の一部を除去した第１精製ガスを取り出す第１精製ガス出口１ｂとを有しており、その内部には硫黄化合物を除去する脱硫部１１と、シロキサンを除去するシロキサン除去部１２とを有している。なお、脱硫塔１は、１つに限らず複数塔を並列的に設けてもよい。
【００２５】
脱硫塔１の原料ガス入口１ａは、原料ガス供給用配管５ａを介して原料ガス供給部６に繋げられている。また、脱硫塔１の第１精製ガス出口１ｂは、第１精製ガス供給用配管５ｂ、後述する連結部４１および共用配管５ｃを介してマイクロガスタービン付帯装置２に繋げられている。
【００２６】
脱硫部１１は、硫化水素、ジメチルサルファイドおよびメチルメルカプタンなどの硫黄化合物に対して吸着能力を有する吸着剤が充填されている。この吸着剤としては、たとえば酸化鉄を主成分とする脱硫剤が挙げられる。
【００２７】
シロキサン除去部１２は、シロキサンに対して吸着能力を有する吸着剤が脱硫部１１として充填されている吸着剤に積層する形で充填されている。この吸着剤としては、たとえば活性炭などの多孔質吸着剤が挙げられる。なお、シロキサン除去部１２にも硫黄化合物に対する高い吸着性能を持たせるために、たとえば活性炭にアルカリ剤を添着したものを吸着剤として用いてもよい。
【００２８】
マイクロガスタービン付帯装置２は、圧縮機２０と、ガスクーラー２１とを有している。圧縮機２０は、第１精製ガスと後述するリサイクルガスとの混合ガスを供給する混合ガス入口２０ａと、圧縮された混合ガスを取り出す圧縮混合ガス出口２０ｂとを有している。ガスクーラー２１は、圧縮混合ガス出口２０ｂ付近に設けられており、ドレン水を排出するためのドレン水排出口２１ａと、一部脱湿された圧縮混合ガスである第２精製ガスを取り出す第２精製ガス出口２１ｂとを有している。ドレン水排出口２１ａは、ドレン水回収用配管５ｄを介してドレン水回収部７に繋げられている。
【００２９】
ＰＳＡ分離装置３は、吸着塔３０，３１を有している。吸着塔３０，３１は、それぞれ第２精製ガス入口３０ａ，３１ａと、最終精製ガス出口３０ｂ，３１ｂとを有しており、その内部には水蒸気に対して吸着能力を有する吸着剤が充填されている。水蒸気に対して吸着能力を有する吸着剤としては、アルミナを主成分とする吸着剤が挙げられる。なお、吸着剤としては、水蒸気の吸着に伴い二酸化炭素の吸着も行えるものが、より好ましい。また、吸着塔３０，３１は、２塔に限らず、１塔でも、３塔以上でもよい。
【００３０】
第２精製ガス入口３０ａは、第２精製ガス供給用配管５ｆ，５ｅを介して第２精製ガス出口２１ｂに繋げられ、さらに減圧ガス用配管５ｌを介してリサイクルライン４に繋げられている。なお、第２精製ガス供給用配管５ｆおよび減圧ガス用配管５ｌには、それぞれ自動弁８ａ，８ｂが設けられている。なお、ここで減圧ガスとは、吸着が行われた吸着塔３０，３１内に充填された吸着剤を再生する際に塔外に排出される塔内残留ガスや吸着剤からの脱着ガスなどを含むガスである。
【００３１】
第２精製ガス入口３１ａは、第２精製ガス供給用配管５ｇ，５ｅを介して第２精製ガス出口２１ｂに繋げられ、さらに減圧ガス用配管５ｍを介してリサイクルライン４に繋げられている。なお、第２精製ガス供給用配管５ｇおよび減圧ガス用配管５ｍには、それぞれ自動弁８ｃ，８ｄが設けられている。
【００３２】
最終精製ガス出口３０ｂは、最終精製ガス用配管５ｈおよび最終精製ガス回収用配管５ｉを介して精製ガス回収部９に繋げられ、最終精製ガス出口３１ｂは、最終精製ガス用配管５ｊおよび最終精製ガス回収用配管５ｉを介して精製ガス回収部９に繋げられている。また、最終精製ガス回収用配管５ｈ，５ｊは、昇圧用配管５ｋにより互いに連結されている。なお、最終精製ガス用配管５ｈ，５ｊおよび昇圧用配管５ｋには、それぞれ自動弁８ｅ，８ｆ，８ｇが設けられている。
【００３３】
リサイクルライン４は、減圧ガス用共用配管５ｎと、リサイクルガス用配管５ｏとを有しており、減圧ガス用共用配管５ｎとリサイクルガス用配管５ｏとの間にはバッファタンク４０が設けられている。また、減圧ガス用共用配管５ｎには、自動弁８ｈが設けられている。なお、ここでいうリサイクルガスとは、吸着塔３０，３１から放出された減圧ガスのうち、バッファタンク４０で圧力変動が緩和されたガスである。
【００３４】
リサイクルライン４は、減圧ガス用配管５ｌ，５ｍから導入される減圧ガスが、減圧ガス用共用配管５ｎと、バッファタンク４０と、リサイクルガス用配管５ｏとを介して第１精製ガス供給用配管５ｂと共用配管５ｃとの連結点４１に繋げられている。なお、バッファタンク４０は、吸着塔３０，３１から放出される減圧ガスの圧力が、排出開始時から排出終了時まで経時的に変化するため、この圧力変動幅を緩和する目的で設けられており、圧力変動幅が０〜０．５ｋＰａの範囲内となるようにバッファタンク４０の大きさが定められている。
【００３５】
リサイクルライン４において、減圧ガス用共用配管５ｎには、さらに減圧ガス回収用配管５ｐが設けられている。これにより、リサイクルライン４は、この減圧ガス回収用配管５ｐを介して減圧ガス回収部１０に繋げられている。減圧ガス回収用配管５ｐには、自動弁８ｉが設けられている。
【００３６】
そして、各自動弁８ａ〜８ｉの開閉状態を適宜切り替えることにより、各配管５ａ〜５ｐでのガスの流れ状態が調整される。各吸着塔３０，３１においては、自動弁８ａ〜８ｇの切替状態に応じて、吸着剤への水蒸気の吸着を目的とする脱湿工程と、減圧ガスを排出し、吸着剤の再生を図ることを目的とする再生工程と、再生工程後の吸着塔３０，３１内の圧力を上げる昇圧工程とが繰り返し行われる。但し、再生工程の一部として、最終精製ガスをパージガスとして用いるパージ工程を追加してもよいし、さらに圧力スイング吸着法で一般的に用いられている均圧工程などを追加してもよい。
【００３７】
本実施形態においては、以上のように構成された精製システムＸを用いて、原料ガスから不純物を除去することにより、精製された嫌気性消化発酵ガスが得られる。この精製方法を、この精製システムＸに供給される原料ガスとして、下水汚泥を嫌気性消化発酵させることにより生成される嫌気性消化発酵ガスを用い、マイクロガスタービンの発電用燃料ガスとして精製する場合を例にとって図１ないし図３を参照しつつ、具体的に説明する。
【００３８】
原料ガス供給部６からの原料ガスは、たとえば約２００ｍｍＨ２Ｏの水柱圧力を有し、かつ原料ガス供給用配管５ａおよび原料ガス入口１ａを介して脱硫塔１に導入される。
【００３９】
脱硫塔１内に供給された原料ガスは、脱硫部１１で原料ガスに含まれる硫黄化合物が吸着除去される。これにより、たとえば原料ガス中に１００ｐｐｍ〜６００ｐｐｍの濃度で存在する硫黄化合物、中でも特に硫化水素の濃度を１ｐｐｍ以下にまで下げることができる。次いで、硫黄化合物の除去を行った原料ガスは、シロキサン除去部１２に導入され、ここで原料ガスに含まれるシロキサンが吸着除去される。これにより、たとえば原料ガス中に１００ｍｇ／ｍ３程度の濃度で存在するシロキサンを５ｍｇ／ｍ３以下にまで下げることができる。したがって、原料ガスは、脱硫塔１を通過することにより、原料ガスから硫黄化合物とシロキサンが除去された第１精製ガスとして、第１精製ガス出口１ｂから排出される。
【００４０】
第１精製ガスは、たとえば約１００ｍｍＨ２Ｏの水柱圧力を有し、第１精製ガス供給用配管５ｂを介して、連結点４１に導入される。連結点４１では、第１精製ガスは、リサイクルガスと混合され混合ガスとなる。この混合ガスは、共用配管５ｃを介して圧縮機２０に導入される。圧縮機２０では、導入された混合ガスを圧縮することにより３〜１０ｋＰａ、好ましくは４〜６ｋＰａにまで昇圧する。
【００４１】
次いで、圧縮機２０により所定圧力まで圧縮された混合ガスを圧縮混合ガス出口２０ｂ付近に設けられたガスクーラー２１により冷却する。これにより、飽和蒸気圧曲線に応じて、圧縮混合ガス中の水蒸気が一部液化され、ドレン水としてドレン水回収用配管５ｄを介してドレン水回収部７に回収されるとともに、一部脱湿された圧縮ガスは、第２精製ガスとして第２精製ガス出口２１ｂから排出される。
【００４２】
第２精製ガスは、第２精製ガス供給用配管５ｅを介してＰＳＡ分離装置３に供給される。ＰＳＡ分離装置３における吸着塔３０，３１では、図２に示すようなタイミングで各工程（ステップ）が行われ、ステップ１〜４を１サイクルとして、このようなサイクルが繰り返し行われる。なお、図２には、各ステップにおける各弁８ａ〜８ｇの開閉状態を示し、図３（ａ）〜（ｄ）には、各ステップに対応するＰＳＡ分離装置３のガスの流れ図を示した。
【００４３】
ステップ１においては、図２に示したように吸着塔３０では吸着工程、吸着塔３１では再生工程が行われており、図３（ａ）に示したようなガス流れ状態とされている。
【００４４】
図１および図３（ａ）に示したように、吸着塔３０には、第２精製ガス供給用配管５ｅ，５ｆおよび自動弁８ａを介して第２精製ガスが導入される。吸着塔３０では、吸着剤により水蒸気などが除去されて最終精製ガスが塔外に導出される。最終精製ガスは、自動弁８ｅおよび最終精製ガス用配管５ｈおよび最終精製ガス回収用配管５ｉを介して精製ガス回収部９に回収される。
【００４５】
一方、吸着塔３１は、自動弁８ｃ，８ｆ，８ｇが閉鎖され、自動弁８ｄが開放状態とされている。これにより、吸着塔３１の内部では吸着剤に吸着されていた水蒸気などが脱着し、これが吸着塔３１の塔内残留ガスとともに塔外に排出される。この減圧ガスは、減圧ガス用配管５ｍおよび自動弁８ｄを介してリサイクルライン４に導入される。
【００４６】
ステップ２においては、図２に示したように吸着塔３０では追加の吸着工程、吸着塔３１では昇圧工程が行われており、図３（ｂ）に示したようなガス流れ状態とされている。
【００４７】
図１および図３（ｂ）に示したように、ステップ２では、吸着塔３０には、ステップ１と同様にして第２精製ガスが引き続き導入され、最終精製ガスが塔外に導出される。最終精製ガスは、ステップ１と同様にして回収されるが、その一部が最終精製ガス用配管５ｈ、昇圧用配管５ｋ、自動弁８ｇ、最終精製ガス用配管５ｊを介して吸着塔３１に導入され、吸着塔３１の塔内の昇圧が行われる。なお、このステップ２は必須ではなく、再生工程を経た吸着塔３１に直ちに第２精製ガスを供給して、昇圧の過程において吸着工程が開始するようにしてもよい。
【００４８】
ステップ３，４においては、図２および図３（ｃ），（ｄ）に示したように、吸着塔３０ではステップ１，２における吸着塔３１と同様にして再生工程および昇圧工程が行われ、吸着塔３１ではステップ１，２における吸着塔３０と同様にして２つのステップ分連続して吸着工程が行われる。そして、以上に説明したステップ１〜４を各吸着塔３０，３１において繰り返し行うことにより、第２精製ガスから水蒸気が例えば露点−４０℃以下まで除去され、原料ガスから不純物（硫黄化合物、シロキサン、水蒸気）が除去された最終精製ガスが連続的に得られる。ここで、吸着工程と再生工程の所要時間は、それぞれ１〜６分、好ましくは３〜４分であり、吸着圧力は、４〜６ｋＰａの範囲で、脱着圧力は、０〜０．５ｋＰａの範囲である。なお、吸着塔３０，３１における各工程は、上記したものに限られず、吸着塔数や必要に応じて定めればよい。
【００４９】
ＰＳＡ分離装置３より、減圧ガス用配管５ｌおよび自動弁８ｂを介して、あるいは減圧ガス用配管５ｍおよび自動弁８ｄを介して放出された減圧ガスは、リサイクルライン４に導入される。本実施形態において、自動弁８ｉは常に閉鎖状態にあり（他の実施形態で同様の精製システムを用いる際に使用される）、減圧ガスはすべて減圧ガス用配管５ｎおよび自動弁８ｈを介してバッファタンク４０に導入される。
【００５０】
バッファタンク４０に一時的に蓄えられ、吸着塔３０，３１から排出される際に生じる圧力変動が緩和された減圧ガスは、リサイクルガスとしてリサイクルガス用配管５ｏを介して連結点４１に導入され、ここで第１精製ガスと混合される。この混合されたガスは混合ガスとして圧縮機２０に共用配管５ｃを介して供給される。なお、バッファタンク４０内の圧力変動幅を０〜０．５ｋＰａの範囲に抑えることにより、ＰＳＡ分離装置３の脱湿性能に与える影響を抑制しつつ、減圧ガスの回収を行うことができる。
【００５１】
本実施形態において、全ての減圧ガスをリサイクルするようにしたことにより、メタンおよび二酸化炭素は最終的にすべて最終精製ガス回収部９に回収される。また、ドライベースにおける原料ガス中のメタンと二酸化炭素の組成において、硫黄化合物やシロキサンの存在比はメタンや二酸化炭素に比べかなり小さいので、ドライベースにおける最終精製ガス中のメタンと二酸化炭素の組成比は、最終的にドライベースにおける原料ガス中のメタンと二酸化炭素の組成比とほぼ同じとなる。したがって、原料ガスがマイクロガスタービンを駆動させるのに十分な発熱量を有していれば、最終精製ガスにおいても十分な発熱量を有していることになるので、原料ガス中のメタンを無駄にすることなく、不純物が除去された嫌気性消化発酵ガスを発電用燃料ガスとして回収することが可能となる。
【００５２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る嫌気性消化発酵ガスの精製システムＸおよび精製方法を図１ないし図３を参照して説明する。
【００５３】
本実施形態において、使用する精製システムおよび原料ガスは、先に説明した精製システムＸおよび原料ガスと同一であるので、その説明は省略する。また、精製方法においても、減圧ガスを全量リサイクルするのではなく、一部をリサイクルし、残りを減圧ガス回収部１０に回収するようにした以外は同様の操作が行われるため、同様の操作を行う部分の説明は省略する。なお、本実施形態においては、ＰＳＡ分離装置３から排出される減圧ガスの内、排出初期から排出総量の４０％をリサイクルライン４によりリサイクルし、残り６０％を減圧ガス回収部１０に回収する場合を例にとって説明を行う。
【００５４】
ＰＳＡ分離装置３より、減圧ガス用配管５ｌおよび自動弁８ｂを介して、あるいは減圧ガス用配管５ｍおよび自動弁８ｄを介して排出された減圧ガスは、リサイクルライン４に導入される。減圧初期において、自動弁８ｉは閉鎖状態にあり、減圧ガスは減圧ガス用配管５ｎおよび自動弁８ｈを介してバッファタンク４０に導入される。減圧ガスを減圧初期から放出総量の４０％リサイクルした後、残りの減圧ガスは、自動弁８ｈを閉鎖状態にするとともに自動弁８ｉを開放することにより、減圧ガス回収用配管５ｐおよび自動弁８ｉを介して減圧ガス回収部１０に回収される。
【００５５】
本実施形態において、減圧ガスのリサイクルされる割合は、上記した例示のものに限らず、必要に応じて任意に決定すればよい。なお、その決定を行うために、精製システムＸの原料ガス供給部６および／または精製ガス回収部９にメタン濃度測定装置を設け、その結果に基づいて減圧ガスのリサイクル割合をコンピューターにより決定するようにしてもよい。さらに、事前に原料ガスの組成が分かっている場合には、濃度測定を行うことなく、その組成を予めコンピューターに入力しておき、そこでの計算に基づきリサイクル割合の決定およびそれに応じた自動弁８ｈ，８ｉの制御を行うようにしてもよい。
【００５６】
減圧ガスの組成は減圧初期から経時的に変化するが、減圧初期では吸着塔３０，３１内のメタン濃度の高い塔内残留ガスが減圧ガスとして放出され、減圧末期では吸着剤から脱着された水蒸気や二酸化炭素の濃度が高い脱着ガスが減圧ガスとして放出される。そのため、減圧初期におけるメタン濃度の高い減圧ガスをリサイクルし、水蒸気や二酸化炭素の濃度が高い減圧ガスを減圧ガス回収部１０に回収することにより、ドライベースにおける最終精製ガス中のメタン濃度は、ドライベースにおける原料ガス中のメタン濃度に比べて高くなる。したがって、原料ガス中のメタン濃度が低く、そのままの濃度では、マイクロガスタービンを駆動できない場合でも、本実施形態における精製システムＸおよび精製方法を用いることにより、最終精製ガスのメタン濃度をマイクロガスタービンが駆動可能な発熱量を有する程度まで高めることが可能となる。
【００５７】
【実施例】
次に、本発明の有用性を実施例により説明する。
【００５８】
【実施例１】
本実施例では、図１に示した精製システムＸを用いて、ＰＳＡ分離装置３から排出される減圧ガスを全量リサイクルする方法（本発明の第１の実施形態に係る方法）により、以下に示す条件下で原料ガスから不純物（硫黄化合物、シロキサンおよび水蒸気）の除去を行った。図４に示したように精製システム可動時における各ポイントＩ〜ＩＩＩでのガス組成を平均した結果を表１に示した。なお、ＤＰは、露点を示す。
【００５９】
脱硫部１１に充填する吸着剤として酸化鉄を主成分とする脱硫剤、シロキサン除去部１２に充填する吸着剤として活性炭を用いた。また、ＰＳＡ分離装置３内の吸着塔３０，３１の内部には、それぞれアルミナが充填されている。原料ガスとしては、ドライベースで、メタン６０％（容積基準）および二酸化炭素４０％（容積基準）を含み、不純物として、さらに水分１０．９％（容積基準）、硫黄化合物４９０ｐｐｍ、シロキサン９５ｍｇ／ｍ３を含むものを使用した。この原料ガスは、ドライベースで５６Ｎｍ３／ｈｒで供給した。
【００６０】
【表１】
【実施例２】
本実施例では、図１に示した精製システムＸを用いて、ＰＳＡ分離装置３から放出される減圧ガスの一部をリサイクルし、一部を減圧ガス回収部１０に回収する方法（本発明の第２の実施形態に係る方法）により、以下に示す条件下で原料ガスから不純物（硫黄化合物、シロキサンおよび水蒸気）を除去するとともに、メタンの濃縮を行った。図５に示したように精製システム可動時における各ポイントＩ〜ＶＩでのガス組成を平均した結果を表２に示した。なお、ＤＰは、露点を示す。
【００６２】
脱硫部１１およびシロキサン除去部１２に充填する吸着剤は、実施例１と同様のものを用いた。また、ＰＳＡ分離装置３内の吸着塔３０，３１の内部には、それぞれアルミナが充填されている。原料ガスとしては、ドライベースで、メタン３０％（容積基準）および二酸化炭素７０％（容積基準）を含み、不純物として、さらに水分４．０％（容積基準）、硫黄化合物９５ｐｐｍ、シロキサン８０ｍｇ／ｍ３を含むものを使用した。この原料ガスは、ドライベースで５６Ｎｍ３／ｈｒで供給した。
【００６３】
【表２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明における嫌気性消化発酵ガスの精製システムＸを用いた精製方法によれば、実施例１では、表１から明らかなように、不純物である硫黄化合物、シロキサンおよび水分の除去を行うとともに、減圧ガスを全量リサイクルすることにより、メタン濃度を維持したままメタンの回収が１００％行える。したがって、原料としての嫌気性消化発酵ガス中のメタンを無駄にすることなく不純物を除去し、発電用燃料として嫌気性消化発酵ガスを回収することができる。また、実施例２では、表２から明らかなように、不純物である硫黄化合物、シロキサンおよび水分の除去を行うとともに、減圧ガスのうち、メタン濃度の高い部分をリサイクルし、水蒸気や二酸化炭素の濃度が高い部分を減圧ガス回収部１０に回収したことにより、精製ガス回収部９に回収される発電用燃料としての嫌気性消化発酵ガスのメタン濃度を高めることができる。したがって、不純物の除去のみでは発電用燃料として発熱量が不十分な嫌気性消化発酵ガスを、マイクロガスタービンに対し発電用燃料として使用可能な程度（この場合メタン濃度５０％以上）にまで発熱量を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る嫌気性消化発酵ガスの精製システムの概略図である。
【図２】上記精製システムのＰＳＡ分離装置における各工程（ステップ）のタイミングおよび各ステップにおける各弁の開閉状態を示す図である。
【図３】上記各ステップに対応するガスの流れ図である。
【図４】本発明の実施例１におけるガス組成を測定する各ポイントを示す概略図である。
【図５】本発明の実施例２におけるガス組成を測定する各ポイントを示す概略図である。
【符号の説明】
Ｘ 嫌気性消化発酵ガスの精製システム
１ 脱硫塔（脱硫手段）
１ａ 原料ガス入口
１ｂ 第１精製ガス出口
２ マイクロガスタービン付帯装置
３ ＰＳＡ分離装置（脱湿手段）
４ リサイクルライン（リサイクル手段）
５ａ〜５ｐ 配管
６ 原料ガス供給部
７ ドレン水回収部
８ａ〜８ｉ 自動弁
９ 精製ガス回収部
１０ 減圧ガス回収部
１１ 脱硫部
１２ シロキサン除去部
２０ 圧縮機（圧縮手段）
２１ ガスクーラー（冷却手段）
３０，３１ 吸着塔
４０ バッファタンク
Claims (12)
- メタン、二酸化炭素、硫黄化合物および水蒸気を含む嫌気性消化発酵ガスをガスタービン用燃料として用いるために精製する方法であって、上記硫黄化合物の除去を行う脱硫ステップと、硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスを圧縮した後に冷却して生じたドレン水を排出するステップと、を含んでおり、圧力スイング吸着法により水蒸気を吸脱着する吸着剤が充填された吸着塔に嫌気性消化発酵ガスを導入して、嫌気性消化発酵ガスから所定レベル以下まで水蒸気を除去する脱湿ステップをさらに含んでいることを特徴とする、嫌気性消化発酵ガスの精製方法。
- 上記脱湿ステップは、上記吸着塔に導入された嫌気性消化発酵ガスが露点−４０℃以下になるまで脱湿を行う、請求項１に記載の嫌気性消化発酵ガスの精製方法。
- 上記吸着剤を再生する際に前記吸着塔外に放出される減圧ガスを、上記脱硫ステップにより硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスと混合するリサイクルステップをさらに含む、請求項１または２に記載の嫌気性消化発酵ガスの精製方法。
- 上記リサイクルステップにおいて、上記減圧ガスの一部をリサイクルせずに系外に排出する、請求項３に記載の嫌気性消化発酵ガスの精製方法。
- メタン、二酸化炭素、硫黄化合物および水蒸気を含む嫌気性消化発酵ガスをガスタービン用燃料として用いるために精製するシステムであって、
上記硫黄化合物を除去する脱硫手段と、上記脱硫手段により硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスを圧縮する圧縮手段と、上記圧縮手段により圧縮された嫌気性消化発酵ガスを冷却する冷却手段と、上記冷却手段により生じたドレン水をシステムの外部に排出するドレン排出手段と、を備え、嫌気性消化発酵ガスから所定レベル以下まで水蒸気を除去する脱湿手段として、圧力スイング吸着法により水蒸気を吸脱着する吸着剤が充填された吸着塔を含むことを特徴とする、嫌気性消化発酵ガスの精製システム。 - 上記吸着剤は、アルミナを主成分として含む、請求項５に記載の嫌気性消化発酵ガスの精製システム。
- 上記脱硫手段は、脱硫のための吸着剤に加え、シロキサンを吸着する吸着剤がさらに充填された吸着塔を含んでいる、請求項５または６に記載の嫌気性消化発酵ガスの精製システム。
- 上記シロキサンを吸着する吸着剤は、活性炭である、請求項７に記載の嫌気性消化発酵ガスの精製システム。
- 上記水蒸気を吸脱着する吸着剤を上記圧力スイング吸着法により再生する際に吸着塔外に放出される減圧ガスを、上記脱硫手段により硫黄化合物が除去された嫌気性消化発酵ガスと混合して、上記圧縮手段に導入するためのリサイクル手段をさらに備えている、請求項５ないし８のいずれかに記載の嫌気性消化発酵ガスの精製システム。
- 上記リサイクル手段は、上記減圧ガスの一部を系外に排出するための減圧ガス排出手段を有している、請求項５ないし９のいずれかに記載の嫌気性消化発酵ガスの精製システム。
- 請求項５ないし１０のいずれかに記載の嫌気性消化発酵ガスの精製システムを用いて精製された嫌気性消化発酵ガスを燃料として発電を行うガスタービンをさらに備えていることを特徴とする、発電システム。
- 上記脱湿手段は、嫌気性消化発酵ガスが露点−４０℃以下になるまで脱湿を行うように構成されている、請求項１１に記載の発電システム。
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