JP2005135728A - バイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】改質ガス凝縮水中のアンモニアおよびメタノールを除去するための排水処理設備を別個に設ける必要性を排除し、メタン発酵槽にｐＨ調整剤を供給するためのｐＨ調整剤供給手段を別個に設ける必要性を排除し、改質ガス凝縮水中のメタノールをバイオガス発電等のための燃料に変えてこれを有効利用する。
【解決手段】有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生したバイオガスを燃料として用いるバイオガス燃料電池発電装置あるいはバイオガス水素製造装置において、バイオガスから生成された改質ガス凝縮水の少なくとも一部をメタン発酵槽１に戻す。好ましくは、メタン発酵槽１に戻される改質ガス凝縮水の流量をメタン発酵槽１内のｐＨに基づいて制御する。
【選択図】図１
【解決手段】有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生したバイオガスを燃料として用いるバイオガス燃料電池発電装置あるいはバイオガス水素製造装置において、バイオガスから生成された改質ガス凝縮水の少なくとも一部をメタン発酵槽１に戻す。好ましくは、メタン発酵槽１に戻される改質ガス凝縮水の流量をメタン発酵槽１内のｐＨに基づいて制御する。
【選択図】図１
Description
本発明は、有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生したバイオガスを燃料として用いるバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置に関し、特には、改質ガス凝縮水中のアンモニアおよびメタノールを除去するための排水処理設備を別個に設ける必要性を排除し、メタン発酵槽にｐＨ調整剤を供給するためのｐＨ調整剤供給手段を別個に設ける必要性を排除し、改質ガス凝縮水中のメタノールをバイオガス発電等のための燃料に変えてこれを有効利用することができるバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置に関する。
詳細には、本発明は、有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生したバイオガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する方式を採用したバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置に関する。
有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生したバイオガスを燃料とするバイオガス燃料電池発電装置あるいはバイオガス水素製造装置においては、改質の過程において、バイオガス中に含まれる窒素に由来するアンモニアや、改質ガスに由来するメタノールが、副生物として合成される。バイオガス燃料電池発電装置では、アンモニアが燃料電池の被毒物質となることが一般に知られており、アンモニアを除去する必要がある。
そこで、例えば、特開２０００−２６０４５０号公報、特開２００１−２３６７４号公報、および特開２００３−４５４７０号公報に記載された燃料電池発電設備および燃料電池発電システムでは、アンモニア吸収塔を用いてアンモニアが除去されている。
ところが、アンモニア吸収塔を用いる場合には、１回／年の定期点検時にアンモニア吸収塔の吸着剤を交換すると想定すると、吸着剤の充填量が非常に多くなってしまい、アンモニア吸収塔の設置面積が非常に大きくなってしまう。更に、定期点検時の費用が嵩んでしまう。また、交換した使用済み吸着剤の処理、あるいは、再生費用も発生してしまう。
更に、アンモニア吸収塔を用いる場合には、流速（線速度）に応じてアンモニア吸着塔の吸着性能が大きく左右されるために、負荷が高くて流速が早すぎる場合や、負荷が低くて流速が低すぎる場合には、アンモニア吸収塔が充分な吸着性能を発揮できないという問題があり、信頼性が低い。そのため、従来においては、一般的に、複数のアンモニア吸収塔が並列に設置され、１塔が破過した場合には、残りの１塔に切り替えて、その間に破過したアンモニア吸着塔の吸着剤を交換するというメリーゴーランド方式が採用され、切り替え運転によって対処されている。
即ち、吸着剤を用いた従来の方式は、コスト的にも、コンパクト性においても、あまり効果的とは言えない。
また、特開２００２−２５５９６号公報に記載された燃料電池発電設備では、冷却器において改質ガスが冷却されて、改質ガス凝縮水が生成され、その中にアンモニアが溶解せしめられて除去されている。詳細には、この改質ガス凝縮水を純水に再生するために、この改質ガス凝縮水が水処理装置に送水されている。特開２００２−２５５９６号公報に記載された燃料電池発電設備では、上述した吸着剤を用いた方式よりもコンパクトで、信頼性も高いアンモニア除去設備が用いられている。
ところが、改質ガス凝縮水に含まれるアンモニアは、水中で電離して、アンモニウムイオンと水酸化物イオンとになり、それらはイオン交換樹脂によって除去することができるものの、改質ガス凝縮水に含まれるメタノールは、水中で中性であり、イオン交換樹脂によって除去することができない。
一方で、メタノールを除去しておかないと、ＣＯＤ源となり、バクテリア等の微生物の発生を引き起こし、電池冷却系の電気伝導度を維持することができなくなり、燃料電池発電設備の運転に支障をきたしてしまう。
そのため、実際には、特開２００２−２５５９６号公報に記載されたようなイオン交換樹脂を用いた比較的簡易的な水処理装置では不十分であり、大がかりなＵＶ酸化法や、活性汚泥法といった水処理設備が必要になってしまう。
また、バイオガス水素製造装置に関しても、純度を高めるために改質装置の下流側にＰＳＡ等の水素濃度を高める装置を設置する場合に、不純物の負荷を軽減させるために、改質ガスを冷却し、改質ガス凝縮水中にアンモニアやメタノール等を溶解させて、それらを除去する方法が一般に採用されている。つまり、従来のバイオガス水素製造装置においても、上述した従来のバイオガス燃料電池発電装置と同様の点が問題となっている。
図２は従来のバイオガス燃料電池発電装置を模式的に表した概略構成図である。図２において、１はメタン発酵槽、２は緊急遮断弁、３はバイオガス流量制御弁、４はメタン発酵槽１から供給されたバイオガスを脱硫するための脱硫器である。５は脱硫器４によって脱硫されたガスを改質するための改質器、６はＣＯシフト反応によって水素を生成するための変成器である。
７は改質ガス冷却器、８は気水分離器、９は燃料電池、１０は燃料電池の排熱を回収するために電池冷却水を循環させる電池冷却水循環ポンプである。１１は燃料電池の排熱を回収し、コージェネレーションシステムとして活用するための排熱回収熱交換器である。１２は水蒸気分離器、１３は反応空気ブロア、１４は改質用水蒸気流量制御弁、１５は改質ガス凝縮水回収ポンプである。１６は改質ガス凝縮水中のアンモニアやメタノールを除去するためのＵＶ酸化槽、１７はＵＶ酸化槽１６に過酸化水素水を供給するための過酸化水素水槽、１８は過酸化水素水供給ポンプである。１９はメタン発酵槽１にｐＨ調整用アルカリ剤を供給するためのアルカリ剤貯留槽、２０はアルカリ剤供給ポンプである。
図２に示すように、従来のバイオガス燃料電池発電装置では、メタン発酵槽１に有機性廃棄物が投入され、内部のメタン菌によってバイオガスが発生せしめられる。バイオガスの組成は、およそメタン６０％、二酸化炭素４０％である。また、このガスには不純物として、一般的に０．５〜数％の窒素が含まれている。生成される有機酸によってメタン発酵槽１内は酸性になる。従って、メタン菌の活性を維持するために、ｐＨ調整用のアルカリ剤を注入することが必要になる。
そこで、従来のバイオガス燃料電池発電装置では、アルカリ剤貯留槽１９が設けられ、アルカリ剤供給ポンプ２０によって、ｐＨ調整用のアルカリ剤がメタン発酵槽１に注入されている。
メタン発酵槽１において発生したバイオガスは、バイオガス流量制御弁３によって流量制御され、脱硫器４に供給される。緊急遮断弁２は、通常開弁されており、異常が発生した時にのみ閉弁される。脱硫器４において硫黄分を除去されたバイオガスは、水蒸気分離器１２から供給される改質用水蒸気と合流し、改質器５に供給される。このとき、改質用水蒸気の流量は、改質用水蒸気流量制御弁１４によって制御される。
改質器５において、水素リッチな改質ガスが生成され、次いで、変成器６において、ＣＯシフト反応によって水素が生成される。改質ガスは、その後、改質ガス冷却器７に供給され、ここで冷却された改質ガスの一部は凝縮する。気水分離器８において、改質ガス凝縮水と改質ガスとが分離される。改質ガスの大部分は、燃料電池９に供給されて発電に利用され、改質ガスの残りは、改質器５のバーナに戻されて燃焼せしめられ、改質器５における改質反応のための熱源となる。
アンモニアやメタノールは、改質ガスが改質器５および変成器６を通過する間に副生物として合成される。これらのアンモニアやメタノールの殆どは、気水分離器８において分離された改質ガス凝縮水に吸収されている。
そこで、従来のバイオガス燃料電池発電装置では、アンモニアやメタノールを含む改質ガス凝縮水が、改質ガス凝縮水回収ポンプ１５によってＵＶ酸化槽１６に供給されている。また、ＵＶ酸化槽１６には、過酸化水素水供給ポンプ１８によって過酸化水素水槽１７から過酸化水素水が酸化剤として供給されている。ＵＶ酸化槽１６では、高電圧によって紫外線が発生せしめられ、過酸化水素水と紫外線との効果によってアンモニアやメタノールが分解せしめられ、このＵＶ酸化処理水が、回収再利用あるいは排水として系外に排出せしめられている。
上述したように、有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生したバイオガスを燃料とする従来のバイオガス燃料電池発電装置あるいはバイオガス水素製造装置においては、改質の過程でバイオガス中に含まれる窒素に由来するアンモニアや、改質ガスに由来するメタノールが副生物として合成され、これらのアンモニアやメタノールを除去するために、例えばＵＶ酸化法や活性汚泥法などによる高価で大がかりな排水処理設備が別個に必要になっている。
また、メタン発酵設備では、有機酸がメタン発酵槽内で生成され、メタン発酵槽内が酸性になるため、メタン菌の活性を維持するｐＨ調整剤が必要とされる。そこで、従来のバイオガス燃料電池発電装置あるいはバイオガス水素製造装置においては、ｐＨ調整用のアルカリ剤を供給するための設備が別個に必要になっている。
その結果、従来のバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置では、イニシャルコストおよびランニングコストが増加してしまっている。
前記問題点に鑑み、本発明は、改質ガス凝縮水中のアンモニアおよびメタノールを除去するための排水処理設備を別個に設ける必要性を排除し、メタン発酵槽にｐＨ調整剤を供給するためのｐＨ調整剤供給手段を別個に設ける必要性を排除し、改質ガス凝縮水中のメタノールをバイオガス発電等のための燃料に変えてこれを有効利用することができるバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置を提供することを目的とする。
請求項１に記載の発明によれば、有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生したバイオガスを燃料として用いるバイオガス燃料電池発電装置において、バイオガスから生成された改質ガス凝縮水の少なくとも一部をメタン発酵槽に戻すことを特徴とするバイオガス燃料電池発電装置が提供される。
請求項２に記載の発明によれば、前記メタン発酵槽に戻される改質ガス凝縮水の流量を、前記メタン発酵槽内のｐＨに基づいて制御することを特徴とする請求項１に記載のバイオガス燃料電池発電装置が提供される。
請求項３に記載の発明によれば、有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生したバイオガスを燃料として用いるバイオガス水素製造装置において、バイオガスから生成された改質ガス凝縮水の少なくとも一部をメタン発酵槽に戻すことを特徴とするバイオガス水素製造装置が提供される。
請求項４に記載の発明によれば、前記メタン発酵槽に戻される改質ガス凝縮水の流量を、前記メタン発酵槽内のｐＨに基づいて制御することを特徴とする請求項３に記載のバイオガス水素製造装置が提供される。
請求項１及び３に記載のバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置では、改質ガス凝縮水が、従来のように排水処理されるのではなく、メタン発酵槽に戻される。そのため、改質ガス凝縮水中のアンモニアおよびメタノールを除去するための排水処理設備を別個に設ける必要性を排除することができる。更に、例えば、改質ガス凝縮水中のアンモニアがメタン発酵槽のｐＨ調整剤として用いられる。そのため、メタン発酵槽にｐＨ調整剤を供給するためのｐＨ調整剤供給手段を別個に設ける必要性を排除することができる。また、例えば、改質ガス凝縮水中のメタノールがメタン発酵を行うための有機物として用いられる。これにより、改質ガス凝縮水中のメタノールをバイオガス発電等のための燃料に変えてこれを有効利用することができる。
詳細には、請求項１及び３に記載のバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置では、改質ガス凝縮水がメタン発酵槽に戻されるため、バイオガスを燃料とする従来のバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置に付属していた高価で大がかりな水処理設備を排除することができる。更に、請求項１及び３に記載のバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置では、改質ガス凝縮水中のアンモニアがメタン発酵槽のｐＨ調整剤として用いられるため、従来のバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置のメタン発酵槽に付属していたｐＨ調整設備を排除することができ、ランニングコストを大幅に低減することができる。
更に詳細には、請求項１及び３に記載のバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置では、従来のバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置において必要とされていたＵＶ酸化法における消費電力、過酸化水素等の酸化剤、活性汚泥法における攪拌機、曝気装置、およびポンプの消費電力、凝集剤が不要になるため、従来のバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置よりもコストを抑制することができる。
請求項２及び４に記載のバイオガス燃料電池発電装置およびバイオガス水素製造装置では、メタン発酵槽に戻される改質ガス凝縮水の流量が、メタン発酵槽内のｐＨに基づいて制御される。そのため、適切な流量の改質ガス凝縮水をメタン発酵槽に戻すことができる。
図１は本発明のバイオガス燃料電池発電装置の一実施形態を模式的に表した概略構成図である。図１において、図２に示した参照番号と同一の参照番号は図２に示した部品と同一の部品を示している。
図１に示すように、本実施形態のバイオガス燃料電池発電装置では、図２に示した従来のバイオガス燃料電池発電装置と同様に、メタン発酵槽１に有機性廃棄物が投入され、内部のメタン菌によってバイオガスが発生せしめられる。バイオガスの組成は、およそメタン６０％、二酸化炭素４０％である。また、このガスには不純物として、一般的に０．５〜数％の窒素が含まれている。生成される有機酸によってメタン発酵槽１内は酸性になる。従って、メタン菌の活性を維持するために、ｐＨ調整用のアルカリ剤を注入することが必要になる。
そこで、本実施形態のバイオガス燃料電池発電装置では、図２に示したようにアルカリ剤供給ポンプ２０によってｐＨ調整用のアルカリ剤がメタン発酵槽１に注入される従来のバイオガス燃料電池発電装置とは異なり、図１に示すように、改質ガス凝縮水が改質ガス凝縮水回収ポンプ１５によってメタン発酵槽１に供給され、改質ガス凝縮水に含まれるアンモニアが、アルカリ剤としてメタン発酵槽１のｐＨ調整に用いられる。
更に、本実施形態のバイオガス燃料電池発電装置では、上述したように、改質ガス凝縮水が改質ガス凝縮水回収ポンプ１５によってメタン発酵槽１に供給され、改質ガス凝縮水に含まれるメタノールが、メタン発酵を行うための有機物として用いられる。
また、本実施形態のバイオガス燃料電池発電装置では、図１に示すように、ｐＨ計によってメタン発酵槽１内のｐＨが検出され、メタン発酵槽１に戻される改質ガス凝縮水の流量がメタン発酵槽１内のｐＨに基づいて制御される。
本実施形態のバイオガス燃料電池発電装置では、図２に示した従来のバイオガス燃料電池発電装置と同様に、図１に示すように、メタン発酵槽１において発生したバイオガスが、バイオガス流量制御弁３によって流量制御され、脱硫器４に供給される。緊急遮断弁２は、通常開弁されており、異常が発生した時にのみ閉弁される。脱硫器４において硫黄分を除去されたバイオガスは、水蒸気分離器１２から供給される改質用水蒸気と合流し、改質器５に供給される。このとき、改質用水蒸気の流量は、改質用水蒸気流量制御弁１４によって制御される。
また、本実施形態のバイオガス燃料電池発電装置では、図２に示した従来のバイオガス燃料電池発電装置と同様に、図１に示すように、改質器５において、水素リッチな改質ガスが生成され、次いで、変成器６において、ＣＯシフト反応によって水素が生成される。改質ガスは、その後、改質ガス冷却器７に供給され、ここで冷却された改質ガスの一部は凝縮する。気水分離器８において、改質ガス凝縮水と改質ガスとが分離される。改質ガスの大部分は、燃料電池９に供給されて発電に利用され、改質ガスの残りは、改質器５のバーナに戻されて燃焼せしめられ、改質器５における改質反応のための熱源となる。
アンモニアやメタノールは、改質ガスが改質器５および変成器６を通過する間に副生物として合成される。これらのアンモニアやメタノールの殆どは、気水分離器８において分離された改質ガス凝縮水に吸収されている。
そこで、本実施形態のバイオガス燃料電池発電装置では、上述したように、改質ガス凝縮水が、改質ガス凝縮水回収ポンプ１５によってメタン発酵槽１に供給され、改質ガス凝縮水に含まれるアンモニアが、アルカリ剤としてメタン発酵槽１のｐＨ調整に用いられる。また、改質ガス凝縮水に含まれるメタノールが、メタン発酵を行うための有機物として用いられる。
上述した実施形態では、バイオガスから生成された改質ガス凝縮水をメタン発酵槽１に戻すこと、および、メタン発酵槽１に戻される改質ガス凝縮水の流量をメタン発酵槽内のｐＨに基づいて制御することが、燃料電池９を有するバイオガス燃料電池発電装置に適用されているが、他の実施形態では、燃料電池を有さないバイオガス水素製造装置に対して、それらを適用することも可能である。
１ メタン発酵槽
２ 緊急遮断弁
３ バイオガス流量制御弁
４ 脱硫器
５ 改質器
６ 変成器
７ 改質ガス冷却器
８ 気水分離器
９ 燃料電池
１０ 電池冷却水循環ポンプ
１１ 排熱回収熱交換器
１２ 水蒸気分離器
１３ 反応空気ブロア
１４ 改質用水蒸気流量制御弁
１５ 改質ガス凝縮水回収ポンプ
２ 緊急遮断弁
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４ 脱硫器
５ 改質器
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１１ 排熱回収熱交換器
１２ 水蒸気分離器
１３ 反応空気ブロア
１４ 改質用水蒸気流量制御弁
１５ 改質ガス凝縮水回収ポンプ
Claims (4)
- 有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生したバイオガスを燃料として用いるバイオガス燃料電池発電装置において、バイオガスから生成された改質ガス凝縮水の少なくとも一部をメタン発酵槽に戻すことを特徴とするバイオガス燃料電池発電装置。
- 前記メタン発酵槽に戻される改質ガス凝縮水の流量を、前記メタン発酵槽内のｐＨに基づいて制御することを特徴とする請求項１に記載のバイオガス燃料電池発電装置。
- 有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生したバイオガスを燃料として用いるバイオガス水素製造装置において、バイオガスから生成された改質ガス凝縮水の少なくとも一部をメタン発酵槽に戻すことを特徴とするバイオガス水素製造装置。
- 前記メタン発酵槽に戻される改質ガス凝縮水の流量を、前記メタン発酵槽内のｐＨに基づいて制御することを特徴とする請求項３に記載のバイオガス水素製造装置。
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