JP2005262146A - メタンガス濃縮装置 - Google Patents

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Takashi Mori
Daido Sawahara
Hirohide Yamamoto
晴男 三宅
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大道 澤原
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Tsukishima Kikai Co Ltd
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Abstract

【課題】 本発明は、充分に、吸収液中の二酸化炭素を分離でき、また、消化ガスのメタンガス濃度上昇を阻害することを防止できるメタンガス濃縮装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、多孔質中空糸内にメタンガス及び二酸化炭素を含む消化ガスを供給して、中空糸から吸収液に二酸化炭素を溶解せしめる吸収部2と、この吸収部2を流れ出た吸収液が流れ込み、多孔質中空糸にメタンガス及び二酸化炭素以外のガスを供給して、吸収部で二酸化炭素が溶解した吸収液中の二酸化炭素を中空糸を通して回収するストリッピング脱気部3と、このストリッピング脱気部3を流れ出た吸収液が流れ込み、多孔質中空糸内を減圧することにより、吸収液中の二酸化炭素およびストリッピング脱気部3で吸収液に混入したガスを、中空糸を通して回収する真空脱気部5と、を備えたことを特徴とするメタンガス濃縮装置1である。
【選択図】 図1

Description

本発明は、例えば、有機性廃棄物の生物学的処理等に際し発生し、メタンガスおよび二酸化炭素を含む消化ガスから二酸化炭素を除去し、メタンガスを濃縮するためのメタンガス濃縮装置に関する。
下水処理場、食品工場、ビール製造工場、家畜の飼育場等で生じる有機性廃棄物を生物学的に処理すると、メタンガス、二酸化炭素、硫化水素等からなる消化ガスが発生する。近年、かかる消化ガスをエネルギー源として有効利用するために、例えば、活性炭等の吸収剤を収容した貯蔵層内に、消化ガスを吸着貯蔵する消化ガスの貯蔵方法に関する技術が研究されている。
このような消化ガスの有効利用を図るためには、消化ガス中の二酸化炭素を除去してメタンガスを濃縮して使用することが望ましい。消化ガスから二酸化炭素を除去するための手段としては、例えば、活性炭、ゼオライト、金属酸化物等の二酸化炭素吸着剤が充填された吸着塔に消化ガスを通す方法、気体分離膜を用いて真空で脱気する方法、多孔質中空糸を用いて分離する方法等が挙げられる。これらの中でも、特に、二酸化炭素を選択的に除去でき、かつコンパクトで経済的であることから、多孔質中空糸を用いた分離方法が注目されている。
中空糸を用いた二酸化炭素分離装置は、吸収液に接触する中空糸を有し、この中空糸にメタンガス及び二酸化炭素を含む消化ガスを供給して、中空糸を通してから吸収液に二酸化炭素を溶出せしめる吸収部、及び、吸収液に接触する中空糸を有し、吸収液中の二酸化炭素を中空糸を通して回収する脱気部を、直列または並列に配置し、吸収液を、メタンガス濃縮装置内で循環させることで、消化ガスから二酸化炭素を分離するものであった。
(例えば、特許文献1参照。)。
また、脱気部としては、一般に、真空脱気部およびストリッピング脱気部が知られている。真空脱気部は、吸収液に接触する中空糸を有し、この中空糸内を真空ポンプ等により減圧することで、吸収液中の二酸化炭素を分離するものである。また、ストリッピング脱気部は、吸収液に接触する中空糸を有し、この中空糸にメタンガス及び二酸化炭素以外のガスを供給して、吸収液中の二酸化炭素をこの中空糸を通して回収するものである。
特開2002−363581号公報
しかしながら、真空脱気部を採用した場合、中空糸内を減圧することによって、吸収液中の二酸化炭素を分離するものであり、中空糸内の圧力差が小さく、中空糸内の二酸化炭素が中空糸の端部まで流れにくいこともあって、吸収液中の二酸化炭素を充分に分離するためには、真空脱気部として、中空糸モジュールを多数、必要とするという問題があった。
また、ストリッピング脱気部を採用した場合、中空糸にメタンガス及び二酸化炭素以外のガスを供給して中空糸内と中空糸外との分圧差により二酸化炭素を分離するため、真空脱気部を採用した場合よりは二酸化炭素を中空糸端部に流しやすいが、中空糸内に供給されたメタンガス及び二酸化炭素以外のガスが吸収液内に溶解し、溶解したガスが吸収部において消化ガス側に放出され、これにより、消化ガスのメタンガス濃度の上昇を阻害するという問題があった。
本発明は、以上の問題点を解決するものであって、充分に、吸収液中の二酸化炭素を分離でき、また、消化ガスのメタンガス濃度上昇を阻害することを防止できるメタンガス濃縮装置を提供することを目的とする。
以上の問題点を解決するため、本発明は、多孔質中空糸内にメタンガス及び二酸化炭素を含む消化ガスを供給して、中空糸から吸収液に二酸化炭素を溶解せしめる吸収部と、この吸収部を流れ出た吸収液が流れ込み、多孔質中空糸にメタンガス及び二酸化炭素以外のガスを供給して、吸収部で二酸化炭素が溶解した吸収液中の二酸化炭素を中空糸を通して回収するストリッピング脱気部と、このストリッピング脱気部を流れ出た吸収液が流れ込み、多孔質中空糸内を減圧することにより、吸収液中の二酸化炭素およびストリッピング脱気部で吸収液に溶解したガスを、中空糸を通して回収する真空脱気部と、を備えたことを特徴とするメタンガス濃縮装置である。
この発明によれば、吸収部で吸収液に溶解した二酸化炭素は、ストリッピング脱気部で概ね回収される。また、ストリッピング脱気部で回収されなかった二酸化炭素およびストリッピング脱気部で吸収液に溶解したガスは、真空脱気部で回収される。これにより、吸収液中の二酸化酸素を充分に分離でき、また、メタンガス及び二酸化炭素以外のガスが吸収液内に溶解した際も、溶解したガスが吸収部において消化ガス側に流れていってしまうことを防止でき、消化ガスのメタンガス濃度上昇を阻害することを防止できる。
また、本発明において、ストリッピング脱気部と真空脱気部との間に、吸収液を補給する吸収液補給装置を設け、この吸収液補給装置は、受水槽およびこの受水槽に吸収液を補給する補給部を備えていても良い。
この発明によれば、吸収液補給装置から吸収液を補給することで吸収液の蒸発、減少に対応でき、また、補給部から受水槽に吸収液を補給する際の刺激(例えば、補給部と受水層を離間させた状態で吸収液を補給して、吸収液を飛びはねさせる)により、ストリッピング脱気部から吸収液補給装置に流れてきた吸収液中の二酸化炭素を放出でき、吸収液中の二酸化炭素を分離することができる。
また、本発明において、ストリッピング脱気部で供給されるガスとして空気を用いると共に、吸収液として水を用い、吸収液を次亜塩素により殺菌する殺菌部を備えていても良い。
この発明によれば、殺菌部において、次亜塩素により、吸収液中に微生物が繁殖することを防止し、微生物が吸収部や脱気部等に付着して、メタンガス濃縮を阻害することを防止できる。
また、本発明において、ストリッピング脱気部、真空脱気部、吸収部として、中空糸モジュールを用い、この中空糸モジュールは、中空糸モジュール本体の一側部に備えられた吸収液流入口およびガス流出口と、中空糸モジュール本体の他側部に備えられた吸収液流出口およびガス流入口と、中空糸モジュール本体内に、その長手方向に亘って設けられ、ガス流入口から流入したガスが、内部を通って、ガス流出口から流出する複数の中空糸と、中空糸モジュール本体内に、その長手方向に亘って設けられ、吸収液流入口から流入した吸収液を中空糸モジュール本体内に流出させる、もしくは、流出した吸収液を流入させる管と、中空糸モジュール本体内に設けられ、中空糸モジュール本体内での吸収液の流れを邪魔し、管から流出した吸収液を、中空糸の長手方向に対して直交する方向に流させて中空糸と接触させる邪魔板と、を備えていても良い。
この発明によれば、吸収液流入口から流入した吸収液が、中空糸の長手方向に対して直交する方向に流れて中空糸と接触するので、吸収部または脱気部における二酸化炭素分離効率を向上でき、吸収部または脱気部の中空糸モジュールの数を少なくでき、吸収部または脱気部を小型化、簡略化できる。
本発明によれば、吸収部で吸収液に溶解した二酸化炭素は、ストリッピング脱気部で概ね回収される。また、ストリッピング脱気部で回収されなかった二酸化炭素およびストリッピング脱気部で吸収液に混入したガスは、真空脱気部で回収される。これにより、吸収液中の二酸化酸素を充分に分離でき、また、メタンガス及び二酸化炭素以外のガスが吸収液内に混入した際も、混入したガスが吸収部において消化ガス側に流れていってしまうことを防止でき、消化ガスのメタンガス濃度上昇を阻害することを防止できる。
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態によるメタンガス濃縮装置1を示している。
本発明の実施の形態によるメタンガス濃縮装置1は、吸収部2と、ストリッピング脱気部3と、吸収液補給装置4と、真空脱気部5と、循環手段33と、を備えている。
吸収部2は、メタンガス及び二酸化炭素を含む消化ガスが供給され、吸収液へ二酸化炭素を優先的に溶解せしめ、消化ガス中のメタンガス濃度を高めるものである。吸収部2は、吸収部本体である吸収モジュール29と、原料ガスとしての消化ガスを吸収モジュール29に送り込むブロワ−6と、消化ガス内の異物を濾過して除去するフィルター7と、消化ガスが流れる消化ガス管路34を備えている。吸収モジュール29は、吸収液に接触する中空糸を有し、この中空糸にメタンガス及び二酸化炭素を含む消化ガスを供給して、中空糸から吸収液に二酸化炭素を溶解せしめ、メタンガスを濃縮、精製して取り出すものである。
吸収モジュール29の具体的構成、吸収モジュール29における動作については、後述する。
ストリッピング脱気部3は、吸収部2を流れ出た吸収液が流れ込み、メタンガス及び二酸化炭素以外のガスが供給され、吸収液中の二酸化炭素を回収するものである。ストリッピング脱気部3は、ストリッピング脱気部本体としてのストリッピングモジュール30と、ストリッピングモジュール30に、メタンガス及び二酸化炭素以外のガスを送り込むブロワ−8と、ガス内の異物を濾過して除去するフィルター9と、メタンガス及び二酸化炭素以外のガスが流れるガス管路35を備えている。ストリッピングモジュール30は、吸収液に接触する中空糸を有し、この中空糸にメタンガス及び二酸化炭素以外のガスを供給して、吸収液中の二酸化炭素をこの中空糸を通して回収するものである。
ストリッピングモジュール30の具体的構成、ストリッピングモジュール30における動作については、後述する。
吸収液補給装置4は、吸収液を補給するものである。吸収液補給装置4は、受水槽10、この受水槽10に吸収液を補給する補給部11と、補給する吸収液中から異物を除去するフィルター12と、を備えている。
真空脱気部5は、ストリッピング脱気部3を流れ出た吸収液が、吸収液補給装置4による吸収液の補給を介して流れ込み、吸収液中の二酸化炭素およびストリッピング脱気部3で吸収液に混入したガスを減圧して回収するものであり、中空糸内にガスを吹き込むものではない。真空脱気部5は、真空脱気モジュール31と、真空脱気モジュール31の中空糸内を減圧する真空ポンプ13と、真空脱気モジュール31で、ストリッピング脱気部3で回収されなかった二酸化炭素およびストリッピング脱気部3で吸収液に溶解したガスが回収された後に、これらのガスを排気(大気放出もしくは処理設備への送気)する排気管路36を備えている。
真空脱気モジュール31の具体的構成、真空脱気モジュール31における動作については、後述する。
循環手段33は、ポンプ14および配管32を備えている。ポンプ14は、吸収液補給装置4で補給された吸収液を、真空脱気部5に対し、フィルター15を介して送り込む。配管32は、ポンプ14から送り出された吸収液を、真空脱気部5、吸収部2、ストリッピング脱気部3、吸収液補給装置4、真空脱気部5、吸収部2・・・の順に循環させる管路である。
吸収液内で微生物が繁殖し、吸収液が循環する配管32や各モジュール内の詰まりが生じることを防止するため、吸収液の循環径路の何れかに、殺菌部(図示せず)が設けられている。この殺菌部による殺菌は、特に、吸収液が水で、ストリッピング脱気部3に送り込まれるガスが空気である場合に、次亜塩素による殺菌が効果的である。使用する薬剤としては、次亜塩素酸ナトリウム、次亜塩素酸カルシウム、塩素化イソシアヌール酸を採用し得る。その中でも塩素化イソシアヌール酸を採用することが望ましい。残留塩素濃度(吸収液中での濃度)は、0.1〜2.0ppmが望ましい。この濃度は、高濃度の方が殺菌効果が高いが、高濃度の場合、中空糸モジュールの材質を劣化させる恐れがある。
メタンガス濃縮装置1において使用される原料ガスとしては、メタンガスと二酸化炭素とが含まれる各種のガスを用いることができ、典型的には有機性廃棄物の生物学的処理に際し発生する消化ガスが用いられる。この種の消化ガスは、メタンガスと二酸化炭素の他に、窒素、硫化水素などの気体成分を含んでおり、それらのうち、硫化水素は、脱硫塔(図示せず)により予め除去しておくことが望ましい。消化ガス中の硫化水素を除去するための手段としては、乾式脱硫法と湿式脱硫法がある。乾式脱硫法には成形脱硫剤式が多く使用されている。成形脱硫剤式は、鉄粉、粘土等でペレット状にした成形脱硫剤を脱硫塔内に充填し、消化ガスと接触させるものであり、取り出した使用済みの脱硫剤は処分する。湿式脱硫法には、水洗浄式、アルカリ洗浄式および薬液再生式がある。このうち、水洗浄式は、下水処理の場合は下水処理水、その他の処理場の場合は井戸水、工業用水または水道水と、消化ガスとを向流接触させるものである。脱硫時の温度および圧力は、消化ガス発生状態そのままでも良く、特に制限されない。
メタンガス濃縮装置1において使用される吸収液としては、工業用水、下水処理水、イオン交換水などの水、NaOH、KOHなどの無機アルカリ水溶液あるいは有機アルカリ水溶液が用いられる。本発明の実施の形態では、吸収液を循環使用するので、吸収液の使用量を少なくすることができる。
次に、図2、3を参照して、吸収モジュール29、ストリッピングモジュール30、及び、真空脱気モジュール31として使用する中空糸モジュール16の具体的構造につき、説明する。
中空糸モジュール16は、中空糸モジュール本体17と、吸収液流入口(図示せず)および吸収液流出口(図示せず)と、ガス流入口(図示せず)およびガス流出口(図示せず)と、複数の中空糸24と、管25と、邪魔板(吸収液の直進を妨げる板)28と、を備えている。
中空糸モジュール本体17は円筒状が好ましい。吸収液流入口およびガス流出口は、中空糸モジュール本体17の一側部に設けられている。吸収液流出口およびガス流入口は中空糸モジュール本体17の他側部に設けられている。中空糸24は、その複数本が束ねられた状態で、中空糸モジュール本体17内に、その長手方向に亘って設けられている。管25は、中空糸モジュール本体17内の中心部に位置する事が望ましい。一端が吸収液流入口19となっており、他端が吸収液流出口21となっている。管25の円周部は吸収液を放散させるために複数の孔(図示せず)が形成されている。邪魔板28は、中空糸モジュール本体17内の長手方向中央部に設けられ、中空糸モジュール本体17の内周面と間隔を置き、吸収液の流れを邪魔し、吸収液を、中空糸と直交に接触させる。
ガス流入口から流入したガスは、中空糸モジュール本体17内における複数の中空糸24内を通って、ガス流出口から流出する。
吸収液は、管25から出た際、及び、管25に入る際、中空糸24の長手方向に対してほぼ直交する方向に流れて中空糸24と接触する。中空糸24としては、疎水性合成樹脂で作られた多孔質中空糸が用いられ、中空糸24内に吸収液は入ってこない。
吸収液が、中空糸24の長手方向に対して直交する方向に流れて中空糸24と接触することにより、向流方向で処理する場合に比べて、吸収液の流れが均一にできることから、二酸化炭素除去効率が向上し、一定量のガスのメタン濃縮に必要な中空糸モジュール16の本数が少なくて済み、メタン濃縮装置の簡略化、小型化を図ることができる。
ここで、中空糸モジュール16を吸収モジュール29として用いる場合には、中空糸モジュール本体17内に吸収液が存在する状態で中空糸24内に消化ガスを流すと、二酸化炭素は、他のガス成分と比べて水に対する溶解度が高いため、二酸化炭素は他のガス成分よりも大量に、中空糸24の微細孔27を通って吸収液中に拡散、溶解する。
また、中空糸モジュール16をストリッピングモジュール30として用いる場合には、中空糸モジュール本体17内に吸収液が存在する状態で、中空糸24内にメタンガスおよび二酸化炭素以外のガスを流すと、中空糸24内と中空糸24外との分圧の差により、中空糸24の微細孔27を通って、中空糸24内に、吸収液中の二酸化炭素が入り込む。これにより、中空糸24を通して、吸収液中の二酸化炭素を回収できる。
また、中空糸モジュール16を真空脱気モジュール31として用いる場合には、中空糸モジュール本体17内に吸収液が存在する状態で、中空糸24内を減圧する。これにより、中空糸24内に、吸収液中の二酸化炭素およびストリッピング脱気部で吸収液に溶解したガスが入り込む。これにより、中空糸24を通して、ストリッピング脱気部で回収されなかった吸収液中の二酸化炭素、および、ストリッピング脱気部で吸収液に溶解したガスを回収できる。
次に、本発明の実施の形態によるメタンガス濃縮装置1の動作につき説明する。
原料ガスとしての消化ガスは、フィルター7を介して、吸収部2に流入し、また、吸収液も吸収部2に流入する。消化ガス中の二酸化炭素は、中空糸24の微細孔27を通って吸収液中に拡散、溶解し、消化ガス中のメタンガスが濃縮され、精製ガスとして取り出される。二酸化炭素が溶解した吸収液は、配管32を通って、ストリッピング脱気部3に送り込まれる。また、ストリッピング脱気部3には、メタンガス、二酸化炭素以外のガスがブロワ−8により、フィルター9を介して送り込まれる。これにより、吸収液中の二酸化炭素が、中空糸24の微細孔27を通って、中空糸24内に取り込まれた後に、排気される。
ストリッピング脱気部3から流出した吸収液は、ストリッピング脱気部3で取り込まれなかった二酸化炭素およびストリッピング脱気部で溶解したガスを含んだ状態で、配管32を通って吸収液補給装置4の受水槽10に流入する。吸収液補給装置4からは吸収液が補給される。また、補給部11から受水槽10に吸収液を補給する際の刺激(例えば、補給部11と受水層10を離間させた状態で吸収液を補給して、吸収液を飛びはねさせる)により、吸収液中の二酸化炭素やストリッピング脱気部3で溶解したガスの一部を放出できる。
吸収液補給装置4から出た吸収液は、配管32を通り、ポンプ14で押し出され、フィルター15を介して、真空脱気部5に流入する。真空脱気部5は、中空糸24内を真空ポンプ13で減圧することにより、吸収液中の二酸化炭素、および、ストリッピング脱気部3で吸収液に溶解したガスが、中空糸24の微細孔27を通って、中空糸24内に取り込まれた後に、排気される。
真空脱気部5から流出した吸収液は、再度、吸収部2に流入する。
以上のように、吸収液は、メタンガス濃縮装置1内で循環する。
本発明の実施の形態によるメタンガス濃縮装置を示す図である。 本発明の実施の形態による中空糸モジュールを示す図である。 本発明の実施の形態による中空糸モジュール内の吸収液とガスの流れを示す図である。
符号の説明
1‥‥メタンガス濃縮装置、2‥‥吸収部、3‥‥ストリッピング脱気部、4‥‥吸収液補給装置、5‥‥真空脱気部、10‥‥受水槽、11‥‥補給部、16‥‥中空糸モジュール、17‥‥中空糸モジュール本体、24‥‥中空糸、25‥‥管、27‥‥微細孔、28‥‥邪魔板、33‥‥循環手段

Claims (4)

  1. 多孔質中空糸内にメタンガス及び二酸化炭素を含む消化ガスを供給して、中空糸から吸収液に二酸化炭素を溶解せしめる吸収部と、この吸収部を流れ出た吸収液が流れ込み、多孔質中空糸内にメタンガス及び二酸化炭素以外のガスを供給して、吸収部で二酸化炭素が溶解した吸収液中の二酸化炭素を中空糸を通して回収するストリッピング脱気部と、このストリッピング脱気部を流れ出た吸収液が流れ込み、多孔質中空糸内を減圧することにより、吸収液中の二酸化炭素およびストリッピング脱気部で吸収液に混入したガスを、中空糸を通して回収する真空脱気部と、を備えたことを特徴とするメタンガス濃縮装置。
  2. 前記ストリッピング脱気部と前記真空脱気部との間に、吸収液を補給する吸収液補給装置を設け、この吸収液補給装置は、受水槽およびこの受水槽に吸収液を補給する補給部を備えたことを特徴とする請求項1に記載のメタンガス濃縮装置。
  3. 前記ストリッピング脱気部で供給されるガスとして空気を用いると共に、吸収液として水を用い、吸収液を次亜塩素により殺菌する殺菌部を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載のメタンガス濃縮装置。
  4. 前記ストリッピング脱気部、前記真空脱気部、前記吸収部として、中空糸モジュールを用い、この中空糸モジュールは、中空糸モジュール本体の一側部に備えられた吸収液流入口およびガス流出口と、中空糸モジュール本体の他側部に備えられた吸収液流出口およびガス流入口と、中空糸モジュール本体内に、その長手方向に亘って設けられ、ガス流入口から流入したガスが、内部を通って、ガス流出口から流出する複数の中空糸と、中空糸モジュール本体内に、その長手方向に亘って設けられ、吸収液流入口から流入した吸収液を中空糸モジュール本体内に流出させる、もしくは、流出した吸収液を流入させる管と、中空糸モジュール本体内に設けられ、中空糸モジュール本体内での吸収液の流れを邪魔し、管から流出した吸収液を、中空糸の長手方向に対して直交する方向に流させて中空糸と接触させる邪魔板と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載のメタンガス濃縮装置。

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