JP2004092466A

JP2004092466A - バイオガスの有効利用システム

Info

Publication number: JP2004092466A
Application number: JP2002253016A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Toda; 戸田　雅之; Yasuyuki Mizobuchi; 溝渕　康之
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】例えば下水汚泥、畜舎からの糞尿等の廃棄物，廃液、事業系から排出される生鮮品（野菜，残飯等）等のバイオマスを処理した際に得られるバイオガスを有効利用し、将来的な自然環境の保全を図り、クリーンなエネルギーを得る。
【解決手段】消化槽５１で得られた消化ガスをガスタービン５６に適した圧力以上に加圧（または、加圧された消化ガスを冷却）すると共に、加圧タンク（バッファタンク）１１を用いて消化ガス中の水分を凝縮して分離することにより乾燥ガスを得る。そして、圧力調整弁１２により、前記の乾燥ガスの圧力をガスタービン５６に適した圧力程度に減圧させてから、その乾燥ガスをガスタービン５６に供給して燃焼する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオガスの有効利用システムに関するものであり、例えば下水汚泥、畜舎からの糞尿等の廃棄物，廃液、事業系から排出される生鮮品（野菜，残飯等）等のバイオマスを処理した際に得られるバイオガスを利用するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な下水汚泥処理においては嫌気性消化（メタン発酵）工程が行われているが、この嫌気性消化工程の際にメタンや二酸化炭素を主成分とする消化ガス（バイオガス）が発生する。近年、ガスタービンと発電機とから成る発電装置（例えば、マイクロガスタービン発電装置）を用い、そのガスタービンの燃料として前記消化ガスを有効利用し、下水汚泥処理システム用の電力，温水等を生成する研究開発が行われている。
【０００３】
図５は、ガスタービンを利用した下水汚泥処理システムの概略説明図を示すものである。図５において、符号５１は被処理対象である下水汚泥を嫌気性消化するための消化槽を示すものであり、その消化槽５１内に嫌気性微生物等を投入すると共に、加温ボイラ５２を用いて所定温度（微生物による発酵に最適な温度；例えば、３０℃〜５０℃）に保つことにより、前記下水汚泥の嫌気性消化工程が行われる。この嫌気性消化工程により発生した消化ガスは脱硫処理（例えば、約１０００ｐｐｍの硫化水素を約１０ｐｐｍに低減）してからガスホルダ（例えば、貯蔵圧力が２００ｍｍＡｑ程度のガスホルダ）５３等に貯蔵される。
【０００４】
このようにして得られた消化ガスは、前記消化槽５１用の加温ボイラ５２の燃料として用いる、または前記発電装置５４のガスタービン（例えば、マイクロガスタービン）５６の燃料として用いることができる。この発電装置５４にて前記消化ガスを利用する場合、その消化ガスは、圧縮機５５によりガスタービンに適した圧力（例えば、ガスタービンの出力に応じた圧力（０．５ＭＰａ程度））に加圧してからガスタービン５６に供給して燃焼し、そのガスタービン５６に連結された発電機５７を駆動することにより電力を得ることができる。さらに、前記のガスタービン５６から発生する排ガスは高温であるため、前記加温ボイラ５２の予熱として利用することができる。
【０００５】
下水汚泥の大部分は水分（例えば、９９％以上の水分）で占められているため、前記消化槽５１で得られる消化ガス中には多量の水分が含まれる。この消化ガスを一般的な加温ボイラ５２に用いる場合には、通常の運転により燃焼することが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、脱硫処理された消化ガス中には僅かな量の硫化水素が残存するため、その硫化水素と消化ガス中の水分とが結合して希硫酸が生成（例えば、ガスホルダ５３内にて生成）されてしまう。すなわち、前記消化ガスを前記発電装置５４にて利用する場合には、そのガスタービン５６等において腐食等の劣化を引き起こす恐れがあるため、予め前記消化ガス中の水分を除去（除湿）する必要がある。
【０００７】
ガス中の水分を除去する方法としては、例えば図６に示すような圧縮機等を用いた加圧再生式（または加熱再生式）の方法（以下、ＰＳＡ方法と称する）が知られている。図６において、符号６１ａ，６１ｂはそれぞれ吸着材（除湿剤）が充填された吸着手段（例えば、筒状の吸着塔）を示すものであり、予め圧縮機等（図示省略）により加圧（吸着手段の性能に応じて加圧）された被処理ガスを、例えば切り替え弁６２ａを介して所定時間毎にそれぞれ交互に供給（十分な除湿能力を有する吸着手段（図６では吸着手段６１ａ）に供給）することにより、その被処理ガス中の水分を吸着する除湿工程が行われ乾燥ガスが得られる。
【０００８】
また、前記の吸着手段６１ａ，６１ｂには、前記の乾燥ガスの一部を圧力調整弁６３により減圧（例えば、大気圧程度に減圧）してから、例えば切り替え弁６２ｂを介して所定時間毎にそれぞれ交互に供給（除湿能力が低下した吸着手段（図６では吸着手段６１ｂ）に供給）することにより、その吸着手段６１ａ，６１ｂ内の水分を乾燥ガスと共に大気中へ放出するパージ工程（除湿剤の水分を除去して吸着手段を再生する工程）が行われる。
【０００９】
なお、加熱再生式のＰＳＡ方法の場合には、前記圧縮機等の替わりに冷却機等を用い前記被処理ガスの温度を降下させてから除湿工程を行い、前記圧力調整弁の替わりにヒータを用い前記乾燥ガスを加熱してからパージ工程を行う。
【００１０】
前記のＰＳＡ方法によれば、２基の吸着手段において除湿工程とパージ工程とをそれぞれ交互に行うことにより、消化ガスの除湿を連続的に行いながら吸着手段の再生を行うことが可能である。
【００１１】
しかしながら、単に前記ＰＳＡ方法を図５に示したような下水汚泥処理システムに適用（例えば、圧縮機５５とガスタービンとの間に適用）した場合、消化ガスの一部が吸着手段のパージ工程の際に消費されるため、発電機で得られる電力が減少してしまう。さらに、パージ工程の際に使用される乾燥ガスはメタンを含み可燃性を有するため、その乾燥ガスを加熱したり大気中へ放出することは爆発等の危険性を伴うと共に、地球温暖化等の環境問題を引き起こす恐れがある。
【００１２】
本発明は前記課題に基づいてなされたものであり、安全面や環境面を考慮してバイオガス中に含まれる水分を除去し、得られた乾燥ガスを発電装置により有効利用することを可能にしたバイオガスの有効利用システムを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題の解決を図るために、請求項１に係る発明は、バイオガス（例えば、メタン発酵等により得られたバイオガス）を加圧してからガスタービン（例えば、マイクロガスタービン）で燃焼し発電機を駆動するバイオガスの有効利用システムにおいて、前記バイオガスを前記ガスタービンに適した圧力以上に加圧し、その加圧されたバイオガス中の水分を加圧タンクにて凝縮し分離することにより乾燥ガスを得、前記の乾燥ガスを前記ガスタービンに適した圧力に減圧してから、前記ガスタービンで燃焼することを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明は、前記の加圧されたバイオガスを冷却してから、そのバイオガス中の水分を前記加圧タンクにて凝縮し分離することを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る発明は、バイオガスを加圧してからガスタービンで燃焼して発電機を駆動するバイオガスの有効利用システムにおいて、前記バイオガス中の水分を冷凍機にて凝縮し分離することにより乾燥ガスを得、その乾燥ガスを前記ガスタービンで燃焼することを特徴とする。
【００１６】
請求項４に係る発明は、バイオガスを加圧してからガスタービンで燃焼して発電機を駆動するバイオガスの有効利用システムにおいて、（ＰＳＡ方法を適用し）前記の加圧されたバイオガスを２基の吸着手段に対し交互に供給することにより、前記バイオガス中の水分を吸着して乾燥ガスを得、前記の乾燥ガスを前記ガスタービンで燃焼し、そのガスタービンの排ガスを前記の各吸着手段に対し交互に供給することにより、前記の各吸着手段のパージ工程を行うことを特徴とする。
【００１７】
請求項５に係る発明は、前記の加圧されたバイオガスを冷却してから、そのバイオガスを前記の各吸着手段に対し交互に供給することを特徴とする。
【００１８】
請求項６に係る発明は、前記の各吸着手段内には、ハニカム状の吸着材を備えたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のバイオガスの有効利用システムにおける実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の第１〜第３形態では、下水汚泥処理の際に発生する消化ガスにおいて、安全面や環境面を考慮して消化ガス中に含まれる水分を捕集（凝縮または吸着）して除去し、得られた乾燥ガスを発電装置により有効利用することを検討した。なお、図５，６に示したものと同様なものには同一符号を用い、その詳細な説明を省略する。
【００２０】
［本実施の第１形態］
本実施の第１形態は、図５に示した下水汚泥処理システムにおいて、消化槽５１で得られた消化ガスをガスタービン５６に適した圧力（例えば、０．５ＭＰａ程度）以上に加圧（または、加圧された消化ガスを冷却）すると共に、加圧タンク（バッファタンク）を用いて消化ガス中の水分を凝縮して分離することにより乾燥ガスを得る。そして、圧力調整手段（例えば、圧力調整弁）により、前記の乾燥ガスの圧力をガスタービン５６に適した圧力程度に減圧させてから、その乾燥ガスをガスタービン５６に供給して燃焼する。
【００２１】
これにより、ガスタービン５６等において腐食等の劣化を引き起こすことなく、消化ガスを利用して電力や温水を得ることができる。また、メタンを含んだ乾燥ガスを加熱したり大気中に放出しないため、消化ガスをガスタービン５６にて有効利用することができると共に、環境問題を引き起こすことなく安全性を確保することができる。
【００２２】
（第１実施例）
図１の概略説明図は、本実施の第１形態における下水汚泥処理システムの実施例（以下、第１実施例）を示すものである。図１に示すように、まず圧縮機５５により、ガスホルダ５３に貯蔵された消化ガスをガスタービン５６に適した圧力以上に加圧し、その消化ガスを加圧タンク１１に貯留した。この加圧タンク１１内では、圧縮効果により前記消化ガス中の水分が凝縮されて分離し、凝縮水と乾燥ガスが得られた。
【００２３】
そして、前記の乾燥ガスは、圧力調整弁１２を介してガスタービン５６に適した圧力に減圧させてから、ガスタービン５６に供給して燃焼した。また、前記の加圧タンク１１内で捕集された凝縮水は、加圧タンク１１の例えば底部側に設けられた排出弁１３を介して、発電装置５４の外部へ排出した。なお、前記の加圧タンク１１と排出弁１３との間には、必要に応じて開閉弁等を備えた水分トラップを用いても良い。また、前記加圧タンクの膨張等による破壊を防止するため、安全弁を設けても良い。
【００２４】
この第１実施例において、前記圧縮機５５による消化ガスの加圧度合いを種々変化させ、加圧タンク１１で得られた乾燥ガスを圧力調整弁１２により０．４ＭＰａに減圧した際の相対湿度（乾燥ガス１ｋｇにおける水蒸気の重量）を測定し、その測定結果を図２の圧力（圧縮機５５により加圧された消化ガスの圧力）に対する相対湿度特性図に示した。なお、図２中の縦軸に示す相対湿度は、圧縮機５５による加圧を０．４ＭＰａに設定した際に得られた乾燥ガスの絶対湿度を１００％として換算したものである。
【００２５】
図２に示す結果から、例えば圧縮機５５により消化ガスを１．２ＭＰａに加圧して水分を凝縮し分離して乾燥ガスを得、その乾燥ガスを０．４ＭＰａに減圧させたことにより、その相対湿度を３０％程度に低減できたことを読み取れる。すなわち、第１実施例によれば、圧縮機５５による加圧度合いを大きくするに連れて、加圧タンクにて消化ガス中の水分がより多く凝縮されて分離できることを確認できた。
【００２６】
（第２実施例）
本実施の第１形態における下水汚泥処理システムの他の実施例（以下、第２実施例）では、図１に示した下水汚泥処理システムにおいて、圧縮機５５と加圧タンク１１との間に冷却機（図示省略）を設置して、前記圧縮機５５で加圧された消化ガスを冷却してから加圧タンク１１に貯留し、その消化ガス中の水分を凝縮して分離することにより、凝縮水と乾燥ガスを得た。そして、前記の第１実施例と同様の方法により、前記の乾燥ガスはガスタービン５６に適した圧力に減圧させてからガスタービン５６に供給して燃焼し、前記の加圧タンク１１内で捕集された凝縮水は排出弁１３を介して発電装置５４の外部へ排出した。
【００２７】
この第２実施例において図２と同様の測定を行ったところ、前記の第１実施例と比較して、加圧タンク１１にて消化ガス中の水分がより多く凝縮されて分離できることを確認できた。この理由として、消化ガスが冷却されたことにより、その消化ガス中の水分が加圧タンク１１にて凝縮され易くなったことが考えられる。
【００２８】
［本実施の第２形態］
本実施の第２形態では、図３の概略説明図に示すように、消化槽５１で得られた消化ガスをガスタービン５６に適した圧力（例えば、０．５ＭＰａ程度）に加圧してから冷凍機３１で冷却することにより、その消化ガス中の水分を凝縮し除去して乾燥ガスを得、その乾燥ガスをガスタービン５６に供給して燃焼する。
【００２９】
これにより、ガスタービン５６等において腐食等の劣化を引き起こすことなく、消化ガスを利用して電力や温水を得ることができる。また、メタンを含んだ乾燥ガスを加熱したり大気中に放出しないため、消化ガスをガスタービン５６にて有効利用することができると共に、環境問題を引き起こすことなく安全性を確保することができる。さらに、例えば前記実施の第１形態のように加圧タンク１１で得られた乾燥ガスをガスタービン５６に適した圧力に減圧させる工程が不要なため、処理システムの構成を簡略化することが可能となる。
【００３０】
なお、本実施の第２形態のように消化ガスを冷凍機３１で冷却して得た乾燥ガスの絶対湿度を測定したところ、前記の実施の第１形態と同様に十分低いことが確認できた。
【００３１】
［本実施の第３形態］
本実施の第３形態は、図１に示した下水汚泥処理システムにおいて図６に示した２基の吸着手段６１ａ，６１ｂを用いるＰＳＡ方法を適用したものであり、消化槽５１で得られた消化ガスを圧縮機５５により所定圧力（例えば、吸着手段の性能に応じた圧力）に加圧（または、消化ガスを冷却）してから、その消化ガスを２基の吸着手段６１ａ，６１ｂに対して所定時間毎にそれぞれ交互に供給することにより除湿工程（消化ガス中の水分を吸着）を行う。
【００３２】
また、前記の除湿工程で得られた乾燥ガスをガスタービン５６に供給し、そのガスタービン５６から発生する排ガスを前記の２基の吸着手段６１ａ，６１ｂに対して所定時間毎にそれぞれ交互に供給することにより、前記吸着手段６１ａ，６１ｂのパージ工程（再生）を行う。なお、前記の乾燥ガスにおいて、その圧力がガスタービン５６に適した圧力よりも高くなる場合には、例えば図１に示すようにガスタービン５６の前段に圧力調整弁１２を設け、乾燥ガスの圧力を減圧させてからガスタービン５６に供給して燃焼する。
【００３３】
これにより、ガスタービン５６等において腐食等の劣化を引き起こすことなく、消化ガスを利用して電力や温水を得ることができる。また、ガスタービン５６から発生する高温の排ガスを利用してパージ工程を行うため（メタンを含んだ乾燥ガスを加熱したり大気中に放出しないため）、消化ガスをガスタービン５６にて有効利用することができると共に、環境問題を引き起こすことなく安全性を確保することができる。
【００３４】
（第３実施例）
図４の概略説明図は、本実施の第３形態における下水汚泥処理システムの実施例（以下、第３実施例）を示すものである。図４において、まず圧縮機５５により、ガスホルダ５３に貯蔵された消化ガスを吸着手段６１ａ，６１ｂの性能に適した圧力に加圧した。次に、切り替え弁６２ａを介して、前記の加圧された消化ガスを吸着手段６１ａ，６１ｂに対し所定時間毎にそれぞれ交互に供給（十分な除湿能力を有する吸着手段（図４では吸着手段６１ａ）に供給）することにより除湿工程を行い、得られた乾燥ガスをガスタービン５６に供給した。
【００３５】
そして、前記のガスタービン５６から発生する排ガスにおいて、切り替え弁６２ｂを介して前記の吸着手段６１ａ，６１ｂに対し所定時間毎にそれぞれ交互に供給することにより、前記吸着手段６１ａ，６１ｂのパージ工程を行った。
【００３６】
この第３実施例により得られた乾燥ガスの絶対湿度を測定したところ、前記の実施の第１形態と同様に十分低いことが確認できた。また、ガスタービン５６から発生した排ガスにより吸着手段６１ａ，６１ｂのパージ工程を行ったところ、その吸着手段６１ａ，６１ｂにおいて十分な再生ができたことを確認できた。
【００３７】
（第４実施例）
本実施の第３形態における下水汚泥処理システムの他の実施例（以下、第４実施例）では、図４に示した下水汚泥処理システムにおいて、圧縮機５５と切り替え弁６２ａとの間に冷却機（図示省略）を設置した。この冷却機により、前記圧縮機５５で加圧された消化ガスを冷却し、前記の第３実施例と同様に、吸着手段６１ａ，６１ｂにて消化ガスの除湿工程を行うことにより乾燥ガスを得た。また、前記の第３実施例と同様に、前記の乾燥ガスをガスタービン５６に供給し、そのガスタービン５６から発生する排ガスにより吸着手段６１ａ，６１ｂのパージ工程を行った。
【００３８】
この第４実施例により得られた乾燥ガスの絶対湿度を測定したところ、前記の第３実施例よりも低いことが確認できた。この理由として、消化ガスが冷却されたことにより、その消化ガス中の水分が吸着手段６１ａ，６１ｂ内にて吸着され易くなったことが考えられる。また、ガスタービン５６から発生した排ガスにより吸着手段６１ａ，６１ｂのパージ工程を行ったところ、前記の第３実施例と同様に吸着手段６１ａ，６１ｂにおいて十分な再生ができたことを確認できた。
【００３９】
（第５実施例）
本実施の第３形態における下水汚泥処理システムの別の実施例（以下、第５実施例）では、前記の第３，４実施例の下水汚泥処理システムにおいて、吸着手段６１ａ，６１ｂ内の除湿剤としてハニカム状のものを用いた。
【００４０】
この第５実施例により得られた乾燥ガスの絶対湿度を測定したところ、前記の第３，４実施例よりも低いことが確認できた。この理由として、ハニカム状の除湿剤を用いたことにより、その消化ガス中の水分が除湿剤に吸着され易くなったことが考えられる。また、ガスタービン５６から発生した排ガスにより吸着手段６１ａ，６１ｂのパージ工程を行ったところ、前記の第３，４実施例と同様に吸着手段６１ａ，６１ｂにおいて十分な再生ができたことを確認できた。
【００４１】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【００４２】
例えば、本発明のバイオガス有効利用システムは、下水汚泥処理による消化ガスに限らず、畜舎からの糞尿等の廃棄物，廃液や、事業系から排出される生鮮品（野菜，残飯等）等のバイオマスを処理した際に得られるバイオガスに適用した場合においても、本実施の第１〜第３形態に示した作用効果が得られる。
【００４３】
また、所望の制御装置を用いて各設備（例えば、消化槽，ガスホルダ，圧縮機，加圧タンク，圧力調整弁，冷却機，切り替え弁，吸着手段，ガスタービン，発電機，配管等）を動作させることにより、バイオガス有効利用システムを自動的に運転することができる。さらに、消化槽から生じる消化液は、従来と同様に液肥として利用しても良い。
【００４４】
【発明の効果】
以上示したとおり本発明によれば、安全面や環境面を考慮してバイオガス中に含まれる水分を除去し、得られた乾燥ガスを発電装置により有効利用することができる。
【００４５】
ゆえに、将来的な自然環境の保全を図ることができ、クリーンで無限のエネルギーを発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の第１形態におけるバイオガスの有効利用システムを示す概略説明図（第１実施例）。
【図２】第１実施例における圧力に対する相対湿度特性図。
【図３】本実施の第２形態におけるバイオガスの有効利用システムを示す概略説明図。
【図４】本実施の第３形態におけるバイオガスの有効利用システムを示す概略説明図（第３実施例）。
【図５】一般的な下水汚泥処理システムの概略説明図
【図６】ＰＳＡ方法の概略説明図。
【符号の説明】
１１…加圧タンク
１２…圧力調整弁
３１…冷凍機
５１…消化槽
５３…ガスホルダ
５４…発電装置
５５…圧縮機
５６…ガスタービン（マイクロガスタービン）
５７…発電機
６１ａ，６１ｂ…吸着手段
６２ａ，６２ｂ…切り替え弁

Claims

バイオガスを加圧してからガスタービンで燃焼し発電機を駆動するバイオガスの有効利用システムにおいて、
前記バイオガスを前記ガスタービンに適した圧力以上に加圧し、その加圧されたバイオガス中の水分を加圧タンクにて凝縮し分離することにより乾燥ガスを得、
前記の乾燥ガスを前記ガスタービンに適した圧力に減圧してから、前記ガスタービンで燃焼することを特徴とするバイオガスの有効利用システム。
前記の加圧されたバイオガスを冷却してから、そのバイオガス中の水分を前記加圧タンクにて凝縮し分離することを特徴とする請求項１記載のバイオガスの有効利用システム。
バイオガスを加圧してからガスタービンで燃焼して発電機を駆動するバイオガスの有効利用システムにおいて、
前記バイオガス中の水分を冷凍機にて凝縮し分離することにより乾燥ガスを得、その乾燥ガスを前記ガスタービンで燃焼することを特徴とするバイオガスの有効利用システム。
バイオガスを加圧してからガスタービンで燃焼して発電機を駆動するバイオガスの有効利用システムにおいて、
前記の加圧されたバイオガスを２基の吸着手段に対し交互に供給することにより、前記バイオガス中の水分を吸着して乾燥ガスを得、
前記の乾燥ガスを前記ガスタービンで燃焼し、そのガスタービンの排ガスを前記の各吸着手段に対し交互に供給することにより、前記の各吸着手段のパージ工程を行うことを特徴とするバイオガスの有効利用システム。
前記の加圧されたバイオガスを冷却してから、そのバイオガスを前記の各吸着手段に対し交互に供給することを特徴とする請求項４記載のバイオガスの有効利用システム。
前記の各吸着手段内には、ハニカム状の吸着材を備えたことを特徴とする請求項４または５記載のバイオガスの有効利用システム。