JP2004300206A

JP2004300206A - バイオガスの都市ガス化利用方法及びその製造設備

Info

Publication number: JP2004300206A
Application number: JP2003092605A
Authority: JP
Inventors: Koji Ishii; 宏治石井; Hideo Sakihama; 秀男崎浜; Tsutomu Matsubara; 勤松原
Original assignee: Ishii Iron Works Co Ltd
Current assignee: Ishii Iron Works Co Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】簡単なシステム構造でかつ建設費及び操業コストが低額な製造設備を用いて、低熱量のバイオガスから１２Ａ程度の都市ガスに相当する高熱量燃料ガスを能率良く経済的に製造して消費者に供給するバイオガスの都市ガス化利用方法及びその製造設備を提供する。
【解決手段】有機性廃棄物を発酵させて得られる低熱量のバイオガスを、脱硫処理、脱炭酸ガス処理、脱湿処理、熱量調整及び付臭処理を行って、１２Ａ程度の都市ガスに相当する高熱量燃料ガスを得て消費者に供給する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、し尿、浄化槽汚泥、下水処理汚泥、畜産施設や水産施設からの廃棄物、生ゴミなどの有機性廃棄物を発酵、生物化学的に処理して得られる低熱量の消化ガス、つまりバイオガスから、１２Ａ程度の都市ガスに相当する高熱量燃料ガスを製造して消費者に供給するバイオガスの都市ガス化利用方法及びその製造設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
し尿、浄化槽汚泥、畜産・水産施設からの廃棄物、生ゴミなどの有機性廃棄物を発酵、つまり生物化学的に処理して得られたバイオガスを、常圧あるいは低圧に加圧してガスホルダーに貯蔵し、必要に応じてボイラーなどの燃焼用、或いは発電用のエネルギー源として使用している。
【０００３】
生物学的処理に際して発生する消化ガスを吸着貯蔵する従来技術には、例えば特開２００２−３２７８９６号公報（特許文献１参照）「吸着式消化ガス貯蔵装置および消化ガスの貯蔵方法」の発明がある。
この吸着式消化ガス貯蔵に係る発明は、コンプレッサー、バッファータンク、及び吸着材が充填された吸着式タンクからなる消化ガス貯蔵装置である。
【０００４】
また、消化ガスつまりバイオガスの新しい利用の仕方を考えた従来技術には、例えば特開２００３−４２３９７号公報（特許文献２参照）「ガスの利用方法及び装置」の発明がある。
この「ガスの利用方法及び装置」の発明は、消化槽から発生したバイオガスを輸送する配管の途中に分岐配管を設け、その先に加圧装置及び除湿装置を設け、さらに吸着式ガスホルダーから利用設備へ送るようにしたものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３２７８９６号公報（図１及び、明細書の［００１１］〜［００２０］の欄）
【０００６】
【特許文献２】
特開２００３−４２３９７号公報（図１及び、明細書の［００１２］，［００１５］，［００１６］，［００１８］の欄）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記紹介した特許文献１の吸着式消化ガス貯蔵装置および消化ガスの貯蔵方法は、コンプレッサー用のバッファータンクを使用することにより、効率よく昇圧して吸着貯蔵することができるが、吸着式貯蔵タンクから高圧ガスを使用することが難しかった。
【０００８】
また、上記紹介した特許文献２のガスの利用方法及び装置は、分岐配管から低圧ガスを引出してコンプレッサーで昇圧して吸着式ガスホルダーへ貯蔵して高圧ガスを供給することができるが、ガス圧力は２００〜３００ｋＰａ程度の低圧力での使用であり、設備が煩雑であって、さらに高圧ガス化し熱量調整して利用するには適していなかった。
【０００９】
また、従来のバイオガス利用方法は、発生したバイオガスをそのまま、又は低圧力でボイラ等にて燃焼させて、発生した熱を利用したり、ガスタービン等で燃焼させて電力を製造したり、また燃料電池などに有効利用していた。
しかしながら、バイオガスを効率良く処理し増熱・付臭して、経済的に都市ガスに相当する高熱量燃料ガスを製造し、ガス圧１５ＭＰａ程度の高圧力にして消費者に供給することは行われていなかった。
【００１０】
ところで、高熱量の燃料ガス、例えば１２Ａ程度のガス（１２Ａ程度のガスとは、発熱量：３７〜４２ＭＪ／Ｎｍ^３程度の燃料ガスで、用品検定ガスグループの基準に定められている，ウォッベ指数：ＷＩが４９〜５４，燃焼速度ＭＣＰ：３４〜４７の１２Ａグループのガスをいう）は、中小の都市などの限られた地域を対象として、配管を用いて供給していた。このガス配管設備には、長い管路でかつ大規模の配管圧送設備を必要とするため、地方の過疎地や遠隔地、分散した消費者へ配管を敷設して供給することは経済性に問題があった。
【００１１】
また、ガス供給設備を持たない畜産施設などは、有機性廃棄物から得られる低熱量のバイオガスを、高熱量の燃焼ガスとして有効利用することが望まれていた。さらに、このバイオガスから得られた高熱量燃焼ガスを、高圧ガスボンベに充填して、ボンベ供給のＬＰＧと同様の方法で利用することも期待されていた。
【００１２】
この発明の目的は、上述のような従来技術が有する問題点に鑑みてなされたもので、簡単なシステム構造でかつ建設費及び操業コストが低額な製造設備を用いて、低熱量のバイオガスから１２Ａ程度の都市ガスに相当する高熱量燃料ガスを能率良く経済的に製造して消費者に供給するバイオガスの都市ガス化利用方法及びその製造設備に関するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るバイオガスの都市ガス化利用方法は、有機性廃棄物を発酵させて得られる低熱量のバイオガスを、脱硫処理、脱炭酸ガス処理、脱湿処理、熱量調整及び付臭処理を行って、１２Ａ程度の都市ガスに相当する高熱量燃料ガスを得て消費者に供給するものである。
【００１４】
また、請求項２の発明に係るバイオガスの都市ガス化利用方法にあっては、上記１２Ａ程度の都市ガスに相当する高熱量燃料ガスは、加圧・冷却及び加圧・吸着によって脱湿処理して、寒冷地でも水分の凝縮やガス成分の凝縮が生じることのない低露点の乾燥した高圧力ガスにして蓄圧し、高圧ガスボンベに充填して消費者に供給するものである。
【００１５】
また、請求項３の発明に係るバイオガスの都市ガス化利用方法の製造設備は、有機性廃棄物を発酵させて得られる低熱量のバイオガスを、第１段階の工程にて、脱硫する脱硫器と、該脱硫したバイオガスを加圧・冷却処理する脱湿器と、該脱湿処理したガスを脱炭酸ガス器にて処理した後に、熱量調整及び付臭処理する増熱・付臭装置と、該熱量調整及び付臭処理したガスを貯蔵するガスホルダーとを備え、第２段階の工程にて、前記貯蔵ガスを加圧・吸着処理する脱湿器と、該脱湿後のガスを高圧にして蓄圧した後に、高圧ガスボンベに充填するボンベ充填装置とを備えたものである。
【００１６】
また、請求項４の発明に係るバイオガスの都市ガス化利用方法の製造設備にあっては、上記脱湿器は、第１段階として圧力冷却式分離器を備え、第２段階として圧力吸着式分離器を備えて、低露点の乾燥した高圧ガスを得るものである。
【００１７】
また、請求項５の発明に係るバイオガスの都市ガス化利用方法の製造設備にあっては、上記第２段階の工程における脱湿器の後に、不純ガス成分のシロキサンを除去するシロキサン除去器を設けたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
この発明に係るバイオガスの都市ガス化利用方法及びその製造設備の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
図１は、バイオガスから高熱量燃料ガスを製造する設備全体の概略フローを示し、図２の表は、図１の要部におけるガスの性状を示すものである。
【００１９】
この高熱量燃料ガス製造設備へ供給されるガスは、し尿、浄化槽汚泥、下水処理汚泥、畜産施設や水産施設からの廃棄物、生ゴミなどの有機性廃棄物を発酵させ、生物化学的に処理して得られた低熱量の消化ガス、つまりバイオガスである。
例えば、牛舎や豚舎など畜産施設で排出される糞尿などを集めて、発酵槽に入れて嫌気的に発酵させ、生物化学的に処理してメタンガスを主成分とするバイオガスを発生させる。
このバイオガスには、高熱量の燃焼用ガスとして使用されるメタンガスの他に、硫化水素、炭酸ガス、アンモニアガス、シロキサンなど不純物や水分を含んでいる。
【００２０】
そこで、上記有機性廃棄物を発酵させて得られる低熱量のバイオガスから、腐食性のある硫化水素を除去し、さらに発熱に関与しない水分及び炭酸ガスを除去し、熱量調整及び付臭処理を行って、ガス発熱量が３７ＭＪ／Ｎｍ^３〜４２ＭＪ／Ｎｍ^３程度の１２Ａの都市ガスに相当する高熱量燃料ガスを得て消費者に供給する。
さらに、寒冷地でも水分の凝縮や凍結、ガス成分の凝縮が生じることのない低露点の乾燥した１５ＭＰａ程度の高圧力ガスにして、ＬＰＧ容器等と同様の汎用性のある高圧ガスボンベに充填して消費者へ供給する。
さらにまた、燃料電池や発電等に使用する場合には、燃焼機器にケイ素成分が析出して故障の原因となるシロキサンなどの不純ガス成分を除去する必要がある。
【００２１】
この発明に係るバイオガスの都市ガス化利用方法及びその製造設備は、図１のフローシートに示すように、有機性廃棄物を発酵させて得られる低圧力で水分が多く炭酸ガスを多く含有する低熱量のバイオガスから、高圧力で水分が少なく低炭酸ガス含有で、１２Ａ程度の都市ガスに相当する汎用性のある高熱量の燃料ガスを製造する設備である。
【００２２】
この高熱量燃料ガスの製造設備は、第１段階の工程にて、脱硫し、加圧・冷却して脱湿処理し、脱炭酸ガス処理した後に、熱量調整し付臭処理してガスホルダー５に貯蔵する。
そして、第２段階の工程にて、加圧・吸着により脱湿処理して低露点の乾燥ガス化し、高圧力のガスにして蓄圧した後に、高圧ガスボンベに充填するものである。
【００２３】
第１段階の工程において、１は脱硫器、２はガス昇圧機、３は脱湿器、４は脱炭酸ガス器、１１は増熱・付臭装置、５はガスホルダーである。
また、第２段階の工程において、６はガス昇圧機、７は脱湿器、８はシロキサン除去器、９は蓄圧器、１０はボンベ充填装置である。
なお、１２及び１３は圧力調整弁、１４は開閉弁を示す。
【００２４】
第１段階の工程にて、まず発酵槽などから送出されるバイオガスに含まれる腐食性のある硫化水素を、脱硫器１を用いて除去する。
この脱硫器１としては、例えば鉄粉、粘土等でペレット状に成形した酸化鉄系吸着材を充填した乾式装置、又は水洗浄式やアルカリ洗浄式、或いはナフトキノンスルホン酸塩など薬液再生式等による硫黄回収の湿式装置などを使用する。
続いてガス昇圧機２で加圧し、脱湿器３で加圧・冷却によって脱湿処理し、次いで脱炭酸ガス器４で炭酸ガスを除去する。そして、増熱・付臭装置１１で熱量調整及びガス臭を加える付臭処理をして、ガスホルダー５へ貯蔵する。
この第１段階の工程は、発酵槽から生物化学的に連続処理されて継続して送出されるバイオガスに対応して、各機器は連続の全日稼動で行う。
【００２５】
次いで、第２段階の工程において、上記ガスホルダー５から引き抜いたガスを、ガス昇圧機６で加圧し、さらに吸着式の脱湿器７で水分を除去し、さらにシロキサン除去器８でシロキサンなどの不純物を除去し、蓄圧器９に蓄える。
そして、開閉弁１４を開け、ボンベ充填装置１０において可搬用の高圧ガスボンベへ充填する。
この第２段階の工程は、ガスの需要に応じて間欠の昼間稼動対応で行う。
【００２６】
ボンベ充填装置１０は、例えば、容量３．３リットル、１０リットル、４７リットル等、種々容量の高圧ガスボンベ２５本を２列に設置し、一日当たり２〜４サイクルの充填作業によって、昼間の操業時間内に必要量を充填する。
この高熱量燃料ガスは、高圧ガスボンベに充填した場合でも、加圧によって液化することなく、また寒冷地においても液化しないため、高圧ガスボンベで供給することができる。
そのため、地方の過疎地や遠隔地、分散した消費者へ、配管設備を用いることなく高圧ガスボンベを使用して、１２Ａ程度の都市ガスに相当する高熱量の燃料ガスを供給することができる。
【００２７】
バイオガスに含有する水分は多いので、この発熱に関与しない余分な水分を効率良く除去する必要がある。そこで、第１段階の工程における脱湿処理は、圧力を増加するだけで結露作用によって脱水する圧力分離式の脱湿器３で行う。次いで、第２段階の工程における脱湿処理は、水分を物理化学的に吸着させて除去する圧力吸着式の脱湿器７を使用して行う。この吸着材は、例えば活性炭、ゼオライト、シリカゲル、或いは有機金属錯体など多孔性材料を使用する。
【００２８】
脱炭酸ガス処理は、気体分離膜や多孔性中空糸膜などを用いた膜式の脱炭酸ガス器４を使用する。この膜式の脱炭酸ガス器４は、複雑な構造で除去率の高い吸着式のものに比べて簡単な構造であって、除去率は９０％程度とそれ程高くなくてもよい。そして、含有率で約４％程度まで短時間に炭酸ガス濃度を下げすることができ、吸着剤を使用していないので、吸着剤の交換の必要もなくランニングコストもかからず経済的である。
また、分離した炭酸ガス及び残留メタンガスを含む混合ガスは大気中へ放散することなく、フィードバックして低熱量機器で再利用したり、或いは回収して植物の成長促進などに有効利用する。
このように、分離した炭酸ガスや余剰のガスなどを回収する閉鎖形のフローとしているので、ブローガスの発生が無いため、環境に配慮した安全性に優れたバイオガス有効利用設備となる。
【００２９】
熱量調整及び付臭処理は、ガスホルダー５へ貯蔵する前に、液化石油ガス（ＬＰＧ）を用いて増熱・付臭装置１１によって行う。
この増熱・付臭装置１１においては、例えば、発熱量約１５ＭＪ／Ｎｍ^３（メガジュール／ノルマルリッポウメートル）〜２５ＭＪ／Ｎｍ^３程度の低熱量のバイオガスに、発熱量約８４ＭＪ／Ｎｍ^３〜１２６ＭＪ／Ｎｍ^３程度の液化石油ガス（ＬＰＧ）を、容量比で約０．５〜５％程度の少量を加えて熱量を増加し、さらに漏洩を検知し安全確認のためのガスへの付臭（都市ガス臭の着臭）は、都市ガス用の付臭剤を添加して行い、発熱量約３７ＭＪ／Ｎｍ^３〜４２ＭＪ／Ｎｍ^３程度の高熱量の燃料ガス、１２Ａ程度の都市ガスに相当する燃料ガスを製造する。
【００３０】
バイオガスを貯蔵するガスホルダー５は、有柱ピストン構造の有水式、オイルシールの無水式、バルーン式、コンテナ可搬の膜式などの低圧貯槽、或いは円筒形や球形の高圧貯槽のうち、圧力や容量などの供給条件に適応した形式のガス貯蔵槽を使用する。
上記フローシートに示す設備のガスホルダー５は、最終的なガス昇圧機６の動力低減のためには、円筒形又は球形の高圧貯槽を使用するのが好ましい。
【００３１】
シロキサン除去器８としては、シロキサンなどの不純物を吸着し、水分の冷却熱によって水分とともに凝縮させる多孔質吸着材を充填した装置を使用する。
このシロキサンなどの不純物を吸着する多孔質吸着材は、例えばヨウ素や臭素のオキソ酸、酸化物などを、活性炭やゼオライトなどの多孔質吸着材に担持または添着して形成する。
【００３２】
図２の表は、図１のフローシート中の要部、Ａ〜Ｃにおけるガスの性状を示ず。
表中Ａは、バイオガスを脱硫器１で処理した後、ガス昇圧機２の前におけるガス性状を示す。
このバイオガスは、約１．０ｋＰａ〜５．０ｋＰａ程度の低い圧力で、水分は飽和、炭酸ガスを約３５％程度、メタンガスを約６５％程度含有し、発熱量は約１５ＭＪ／Ｎｍ^３〜２５ＭＪ／Ｎｍ^３程度の低発熱量のガス性状である。
【００３３】
また、表中Ｂは、昇圧して脱水した後で、脱炭酸ガス器４の後方におけるガス性状を示す。
このガスは、約０．５ＭＰａ〜１．０ＭＰａ程度の圧力で、炭酸ガス濃度は約４％程度に低下し、メタンガス濃度は約９６％程度に増加し、発熱量は約３０ＭＪ／Ｎｍ^３〜３６ＭＪ／Ｎｍ^３程度の高発熱量のガス性状となる。
【００３４】
また、表中Ｃは、ガス昇圧機６から脱湿器７、シロキサン除去器８、蓄圧器９を経た後方におけるガス性状を示す。
このガス性状は、昇圧によって１５ＭＰａ程度の高い圧力となり、さらに水分を除去して露点は−２０℃程度となる。
そして、少量のＬＰＧを添加する増熱によって、発熱量は約３７ＭＪ／Ｎｍ^３〜４２ＭＪ／Ｎｍ^３程度の高発熱量となり、汎用性のある１２Ａ程度の都市ガスに相当する燃料ガスとなる。
この高熱量燃料ガスは、高圧ガスボンベに充填した場合でも加圧によって液化することなく、また寒冷地においても液化することなくガス状態で供給することができる。また、露点を−２０℃程度にしたので、寒冷地においてもガスボンベ等の供給機器が結露や氷結をすることがない。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１の発明に係るバイオガスの都市ガス化利用方法は、有機性廃棄物を発酵させて得られる低熱量のバイオガスを、脱硫処理、脱炭酸ガス処理、脱湿処理、熱量調整及び付臭処理を行って、１２Ａ程度の都市ガスに相当する高熱量燃料ガスを得て、消費者に供給するので、有機性廃棄物から得られたバイオガス資源を効率良く処理し熱量調整して、汎用性のある都市ガス機器に適用することが可能となり、燃料ガスとして有効利用し、地球に優しい燃料資源としてのエネルギー利用を図ることができる。
そして、有機性廃棄物を処理した高熱量の燃料ガスが連続的に安定して得られ、かつ需要条件に対応して供給の利便性が良いエネルギー資源となる。
【００３６】
また、請求項２の発明に係るバイオガスの都市ガス化利用方法にあっては、上記１２Ａ程度の都市ガスに相当する高熱量燃料ガスは、加圧・冷却及び加圧・吸着によって脱湿処理して、寒冷地でも水分の凝縮やガス成分の凝縮が生じることのない低露点の乾燥した高圧力ガスにして蓄圧し、高圧ガスボンベに充填して消費者に供給するので、効率良く脱水、脱炭酸ガス処理し、熱量増加して一旦貯蔵した後に、必要に応じて高圧力で高熱量のガスをボンベに充填することができ、高圧ガスボンベに充填した場合に、加圧によって液化することなく、また寒冷地においても液化する心配も生じないため、高圧ガスボンベで供給することができる。
そのため、地方の過疎地や遠隔地、分散した消費者へ、長い管路でかつ大規模の配管圧送設備を用いることなく、１２Ａ程度の都市ガスに相当する高熱量の燃料ガスを、高圧ガスボンベを使用して消費者に供給することができる。
【００３７】
また、請求項３の発明に係るバイオガスの都市ガス化利用方法の製造設備は、有機性廃棄物を発酵させて得られる低熱量のバイオガスを、第１段階の工程で脱硫する脱硫器と、該脱硫したバイオガスを加圧・冷却処理する脱湿器と、該脱湿処理したガスを脱炭酸ガス器にて処理した後に、熱量調整及び付臭処理して貯蔵するガスホルダーと、該貯蔵ガスを第２段階の工程で加圧・吸着処理する脱湿器と、該脱湿後のガスを高圧にして蓄圧した後に、高圧ガスボンベに充填するボンベ充填装置とを備えたので、システムが簡単かつ機器の運転操作が簡単で、設備費及びランニングコストが安価で、バイオガス資源を効率良く処理し、１２Ａ程度の都市ガスに相当する高熱量燃料ガスを効率良く製造することができ、経済性に優れたバイオガス有効利用の製造設備となる。
【００３８】
また、請求項４の発明に係るバイオガスの都市ガス化利用方法の製造設備にあっては、上記脱湿器は、第１段階として圧力冷却式分離器を備え、第２段階として圧力吸着式分離器を備えて、低露点の乾燥した高圧ガスを得るので、温度と圧力を利用した脱水と、吸着による脱水とによって、水分の多いバイオガスを２段階に効率良く経済的に脱水処理することができ、寒冷地においても結露や氷結をすることがなく高熱量燃料ガスを安定供給することができる。
【００３９】
また、請求項５の発明に係るバイオガスの都市ガス化利用方法の製造設備にあっては、上記第２段階の工程における脱湿器の後に、不純ガス成分のシロキサンを除去するシロキサン除去器を設けたので、一層不純物の少ないガスとなるため、燃料電池用やタービン用など、より利用範囲の拡大を図ることができ、燃焼機器の保全を向上させることができる。
【００４０】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るバイオガスの都市ガス化利用方法及びその製造設備の全体フローシートを示す説明図である。
【図２】図１のフローシートの要部におけるガス性状の概略を示す表である。
【符号の説明】
１脱硫器２ガス昇圧機
３脱湿器４脱炭酸ガス器
５ガスホルダー６ガス昇圧器
７脱湿器８シロキサン除去器
９蓄圧器１０ボンベ充填装置
１１増熱・付臭装置１２圧力調整弁
１３圧力調整弁１４開閉弁

Claims

有機性廃棄物を発酵させて得られる低熱量のバイオガスを、脱硫処理、脱炭酸ガス処理、脱湿処理、熱量調整及び付臭処理を行って、１２Ａ程度の都市ガスに相当する高熱量燃料ガスを得て消費者に供給することを特徴とするバイオガスの都市ガス化利用方法。
上記１２Ａ程度の都市ガスに相当する高熱量燃料ガスは、加圧・冷却及び加圧・吸着によって脱湿処理して、寒冷地でも水分の凝縮やガス成分の凝縮が生じることのない低露点の乾燥した高圧力ガスにして蓄圧し、高圧ガスボンベに充填して消費者に供給することを特徴とする請求項１記載のバイオガスの都市ガス化利用方法。
有機性廃棄物を発酵させて得られる低熱量のバイオガスを、第１段階の工程にて、脱硫する脱硫器と、該脱硫したバイオガスを加圧・冷却処理する脱湿器と、該脱湿処理したガスを脱炭酸ガス器にて処理した後に、熱量調整及び付臭処理する増熱・付臭装置と、該熱量調整及び付臭処理したガスを貯蔵するガスホルダーとを備え、第２段階の工程にて、前記貯蔵ガスを加圧・吸着処理する脱湿器と、該脱湿後のガスを高圧にして蓄圧した後に、高圧ガスボンベに充填するボンベ充填装置とを備えたことを特徴とするバイオガスの都市ガス化利用方法の製造設備。
上記脱湿器は、第１段階として圧力冷却式分離器を備え、第２段階として圧力吸着式分離器を備えて、低露点の乾燥した高圧ガスを得ることを特徴とする請求項３記載のバイオガスの都市ガス化利用方法の製造設備。
上記第２段階の工程における脱湿器の後に、不純ガス成分のシロキサンを除去するシロキサン除去器を設けたことを特徴とする請求項３又は４記載のバイオガスの都市ガス化利用方法の製造設備。