JP2006143780A - バイオガス精製システム - Google Patents

Abstract

【課題】 充填層に坦持された微生物を常に活発な状態に維持しておくことにより、運転・停止を繰り返す断続的な運用をも可能としたバイオガス精製システムを提供する。
【解決手段】 脱硫装置１１の出口側から入口を結ぶ循環配管２５を敷設して脱硫塔１１ａ内のガス流を常時維持することで、充填層１１ｂに坦持された微生物を常に活発な状態に維持しておくので、断続的な運用にも対応可能で、出口への硫黄化合物の排出を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、畜産糞尿、下水処理場や工場排水処理設備から発生する汚泥、生ごみなどの有機性廃棄物をメタン発酵させて得られるバイオガスに含まれる硫化水素等の不純物を微生物の働きにより除去するバイオガス精製システムに関する。

近年、畜産糞尿、下水処理場や工場排水処理設備から発生する汚泥、生ごみなどの有機性廃棄物をメタン発酵させて得られるバイオガスを発電設備等の燃料として利用することが行なわれており、それに関する提案もなされている（例えば、特許文献１参照）。

このようなバイオガスは、多くの不純物を含んでおり、そのまま使用すると発電設備や環境に対して影響を与えるので、バイオガスを精製し、不純物を除去する必要がある。従来、脱硫のためには、乾式脱硫装置を使用するのが一般的であった。

この乾式脱硫装置は、酸化鉄などの脱硫剤を用いて脱硫を行なうものであるが、バイオガスに含まれる硫化水素のみが除去の対象となり、バイオガスに含まれる他の硫黄化合物やアンモニアなどの不純物が除去できない。このため、後段に適用できるガス使用設備が限定されてしまう。また、当然ながら硫黄酸化物や窒素酸化物排出の原因にもなる。さらに、使用時間経過に伴い脱硫剤を交換しなければならず、ランニングコストが上昇すると共に、メンテナンスが面倒である。

そこで、このような乾式脱硫装置に代って、バイオガスに含まれる硫化水素等の不純物を微生物の働きにより除去する生物脱硫装置が用いられるようになってきた。この生物脱硫装置は、脱硫塔内に、硫黄酸化細菌群を坦持する充填層を設け、この充填層にバイオガスを通すことで硫黄酸化細菌群と接触させ、バイオガス中に含まれる硫黄系化合物を酸化して硫酸とするものである。

充填層には、上述のように硫黄系化合物が酸化することにより硫酸が生じるが、脱硫塔に循環液を循環して充填層に散布することで、硫黄酸化細菌群によって生成される硫酸を循環液中に捕捉して除去する。また、硫黄酸化細菌群は好気性細菌であるため、脱硫塔へ流入する被処理ガスには予め空気を注入して細菌が必要とする酸素を供給する。この空気の注入量は、脱硫塔から吐出されるガス流量に合わせて調整されるが、ガス中酸素濃度が設定値以上になると空気の注入は休止する。

このように生物脱硫装置は、微生物によってバイオガス中の硫黄化合物を除去する装置であり、従来の脱硫剤(酸化鉄)を使用する乾式脱硫装置と比較して、脱硫剤交換が不要なためランニングコストが安価でメンテナンスが容易である上、硫化水素以外の硫黄酸化物（例えば、メルカプタン類、硫化メチル等）の除去も可能であるなどの利点を有する。
特開２００２−２７５４８２号公報

生物脱硫装置は上述のように種々の利点を有するが、反面、運転開始時の立ち上がりに時間がかかるという問題を有する。すなわち、微生物を用いているため、この微生物が活性化するまで時間が係り、運転開始時の立ち上がりの際に、バイオガス中の硫黄化合物が除去しきれずに出口側に漏出してしまう。条件によっても異なるが、通常は、脱硫塔内に３０分から1時間程度バイオガスを流通させると、充填層に坦持された硫黄酸化細菌群の働きが活発になり、所期の脱硫効果が生じることとなる。

このように、立ち上がりに時間がかかることから、運転・停止を繰り返す断続的な運用には不向きであった。したがって、精製後のバイオガスの消費が連続して安定している場合は問題ないが、消費が断続的で不安定な場合は脱硫塔の運転・停止を繰り返す断続的な運用をせざるを得ず、このようなガス使用施設に対しては適用が困難であった。

本発明の目的は、充填層に坦持された微生物を常に活発な状態に維持しておくことにより、運転・停止を繰り返す断続的な運用をも可能としたバイオガス精製システムを提供することにある。

本発明のバイオガス精製システムは、メタン発酵槽から発生したバイオガスを導入し硫黄酸化細菌群により脱硫する生物脱硫装置と、この脱硫装置により脱硫されたガスをガス利用設備に供給する吐出管路から分岐され、前記脱硫装置へのバイオガス導入管に連結し、中間部に循環ブロワを設けた循環配管とを備えたことを特徴とする。

また、本発明のバイオガス精製システムは、メタン発酵槽から発生したバイオガスを導入し硫黄酸化細菌群により脱硫する生物脱硫装置と、この脱硫装置により脱硫されたガスの吐出管路に設けられたブロワ、このブロワの吐出側に連結した圧力調整タンク、この圧力調整タンクに一次側が連通し二次側が前記脱硫装置へのバイオガス導入管に連通し、前記一次側の圧力を所定値に保つリリーフ弁を有する循環配管と、前記圧力調整タンクからガス利用設備へのガス供給配管とを備えた構成としてもよい。

また、本発明のバイオガス精製システムは、メタン発酵槽から発生したバイオガスを導入し硫黄酸化細菌群により脱硫する生物脱硫装置と、この脱硫装置により脱硫されたガスの吐出管路に設けられたブロワ、このブロワの吐出側に連結した圧力調整タンク、この圧力調整タンクに一次側が連通し二次側が前記脱硫装置へのバイオガス導入管に連通し、前記一次側の圧力を所定値に保つリリーフ弁を有する大循環配管と、この大循環配管の途中から分岐され、開閉弁を介して前記ブロワの入側管路に連通する小循環配管と、前記圧力調整タンクからガス利用設備へのガス供給配管とを備えた構成でもよい。

さらに、本発明のバイオガス精製システムでは、圧力調整タンクからガス利用設備へのガス供給配管でのガス供給量を検出し、ガス供給量が設定値以上であれば小循環配管に設けた開閉弁を開き、設定値に満たない場合は小循環配管に設けた開閉弁を閉じる循環路切替手段を設けた構成としてもよい。

本発明によれば、脱硫装置の出口側から入口を結ぶ循環配管を敷設して脱硫塔内のガス流を常時維持することで、充填層に坦持された微生物を常に活発な状態に維持しておくので、断続的な運用にも対応可能で、出口への硫黄化合物の排出を防止することができる。

以下、本発明によるバイオガス精製システムの一実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１において、１１は生物脱硫装置で、脱硫塔１１ａ内の高さ方向中間部に硫黄酸化細菌群を坦持する充填層１１ｂを設けており、脱硫塔１１ａの下部に連結された配管１２により、前段に設けられた図示しないメタン発酵槽で発生したバイオガスを、脱硫塔１１ａ内の下部に導入する。導入されたバイオガスは、充填槽１１ｂに上向きに流れ、充填層１１ｂに坦持された硫黄酸化細菌群により脱硫されて上部に連結された吐出管路１３に吐出される。

また、脱硫塔１１ａ内の上部には散布器１１ｃが設けられ、循環ポンプ１５を有する配管１６により脱硫塔１１ａ内下部から供給される循環液を、充填層１１ｂに散布する。充填層１１ｂには、バイオガスとの接触により硫黄系化合物が酸化することで硫酸が生じているが、散布された循環液により、硫黄酸化細菌群によって生成された硫酸は循環液中に捕捉され、除去される。なお、循環液は硫酸を捕捉することから、アルカリ性の液を用いるとよい。また、長期間使用するとｐＨが低下するため、ある程度使用したなら、新たな液を補充するとよい。

また、充填層１１ｂに坦持された硫黄酸化細菌群は好気性細菌であるため、前記配管１２により脱硫塔１１ａへ流入する被処理ガスには、エアポンプ１７から、電磁弁１８を有する空気管１９を介して予め空気を注入して、細菌が必要とする酸素を供給する。この空気の注入量は、脱硫塔１１ａから吐出されるガス流量に合わせて調整するが、ガス中酸素濃度が設定値以上になると空気の注入は休止する。

すなわち、脱硫装置１１により脱硫されたガスをガス利用設備に供給する吐出管路１３に酸素濃度計２１及びガス流量計２２を設け、それらの測定値を、前記電磁弁１８の制御装置２３に入力することにより電磁弁１８を開閉制御し、前述のように空気の注入制御を行なう。

また、脱硫装置１１により脱硫されたガスをガス利用設備に供給する吐出管路１３を、前記酸素濃度計２１及びガス流量計２２を経た位置で分岐し、脱硫装置１１へのバイオガス導入用の配管１２に連結して、循環配管２５を形成する。この循環配管２５の中間部には循環ブロワ２６を設ける。

上記構成において、ブロワ２６を有する循環配管２５により、脱硫塔１１ａ内には、後段のガス利用設備におけるガスの消費の有無に係わらず常にガスが循環している。後段のガス利用設備でガスが消費されると循環系の圧力が低下し、前段のメタン発酵槽から未処理のバイオガスが流入する。

ここで、従来は後段のガス利用設備でガスが消費されないと脱硫塔１１ａにはバイオガスが流れないため、脱硫塔１１ａ内が嫌気(酸素欠乏状態)になって硫黄酸化細菌群の活性が低下してしまい、その後、後段のガス利用設備でのガス消費が生じ、前段のメタン発酵槽から未処理のバイオガスが流入しても瞬時に脱硫作用を生じるまで立ち上がることができなかった。

これに対し、図１のシステムでは、後段のガス利用設備でガス消費がなくとも、ブロワ２６を有する循環配管２５により、脱硫塔１１ａ内には、空気量が一定に管理されたバイオガスが常に流れている。すなわち、必要な酸素を含んだバイオガスが、脱硫塔１１ａの充填層１１ｂを通っているので、脱硫塔１１ａ内が嫌気(酸素欠乏状態)になって硫黄酸化細菌群の活性が低下することはなく、後段のガス利用設備でのガス消費が生じて、前段のメタン発酵槽から未処理のバイオガスが流入すると瞬時に脱硫作用を生じる。したがって、バイオガスの消費が断続的に生じる施設に対しても、なんら問題なく適用することができる。

次に、図２で示す実施の形態を説明する。なお、図１と対応する部分には同一符号を付している。

この実施の形態では、脱硫装置１１により脱硫されたガスの吐出管路１３に、酸素濃度計２１と直列にブロワ２８を設け、このブロワ２８の吐出側に圧力調整タンク２９を連結している。この圧力調整タンク２９に対しては、リリーフ弁３０の一次側（入側）を連結し、その二次側（出側）は、前記脱硫装置１１へのバイオガス導入管１２に連結して循環配管３１を形成している。リリーフ弁３０は、周知のように一次側の圧力を所定値に保つ機能を有する。また、圧力調整タンク２９には、減圧弁３２を有する、ガス利用設備へのガス供給配管３３が連結している。減圧弁３２は、周知のように二次側の圧力を所定値に保つ機能を有する。

その他の構成は、図１と同じであり、説明は省略する。

上記構成において、有機性廃棄物のメタン発酵によって生成されたバイオガスは、所定量の空気と共にブロワ２８により吸引されて脱硫装置１１に導入される。そして、脱硫塔１１ａ内の充填層１１ｂに坦持された硫黄酸化細菌群により脱硫されて吐出管路１３に吐出され、ブロワ２８を経て圧力調整タンク２９内に流入する。

このとき、後段のガス利用設備でのガス消費が無いと、流入したバイオガスは圧力調整タンク２９内に貯留される。そして、圧力調整タンク２９内の圧力が所定値を越えると、リリーフ弁３０が作動し、一部のバイオガスを循環配管３１に流し、圧力調整タンク２９内の圧力を所定値に維持する。このため、脱硫塔１１ａには、後段のガス利用設備でのガス消費が無くても、循環配管３１を通して常に一定流量のバイオガスが流れ、充填層１１ｂに坦持された硫黄酸化細菌群を活性に保つ。

一方、後段のガス利用設備でガス消費が生じると、減圧弁３２の二次側圧力が低下するため、圧力調整タンク２９内に貯留されたバイオガスが配管３３によりガス利用設備に供給される。このガス供給により、圧力調整タンク２９内の圧力が低下するためリリーフ弁３０の働きにより循環配管３１への循環量を低下させる。このとき、脱硫塔１１ａには、後段のガス利用設備でガス消費に対応したガス量と循環ガス量とが流れる。

ここで、後段のガス利用設備でガス消費が大きければ、圧力調整タンク２９内の圧力低下も大きいため圧力調整タンク２９に流入するガス量も多くなるが、リリーフ弁３０により循環配管３１への循環量は大幅に低下する。したがって、後段のガス利用設備でのガス消費の大きさにかかわらず、脱硫塔１１ａには常にほぼ一定量のガスが流れることになる。

すなわち、図１のシステムでは、後段のガス利用設備でガス消費がある場合、脱硫塔１１ａには循環ガス量に加えてガス消費量に相当するガス量が流れるので、後段のガス利用設備でガス消費の有無により、脱硫塔１１ａに流れるガス量が大きく変動したが、図２のシステムではそのようなことは無く、脱硫塔１１ａには常にほぼ一定量のガスが流れる。このため、制御装置２３による空気注入量の調整は、酸素濃度計２１による測定値のみで行なえ、図１で示したガス流量計２２は不要となる。

また、生成されたバイオガスは、脱硫装置１１の吐出管路１３に設けたブロワ２８により吸引されて脱硫装置１１に導入しているので、バイオガス精製システムにおける圧力損失以上のガス圧(約１５０mmAq)が得られないメタン発酵槽やバイオガスホルダからのバイオガスにも適用が可能となる。

次に、図３で示す実施の形態を説明する。なお、図２と対応する部分には同一符号を付している。

この実施の形態も、図２の実施の形態と同様に、脱硫装置１１により脱硫されたガスの吐出管路１３に、ブロワ１８、圧力調整タンク２９、リリーフ弁３０を設けている。ただし、このリリーフ弁３０の二次側に、大循環配管３５と小循環配管３６との２つの循環配管を設ける点で異なる。大循環配管３５は、一端がリリーフ弁３０の二次側に他端は開閉弁３７を介して前記脱硫装置１１へのバイオガス導入管１２に連通している。一方、小循環配管３６は、大循環配管３５の途中、すなわち、前記開閉弁３７の入口の手前の部分から分岐され、開閉弁３８を介して前記ブロワ２８の入側管路に連通している。

なお、後段のガス利用設備へは、圧力調整タンク２９から、減圧弁３２を有するガス供給配管３９によりによりバイオガスが供給される。また、このガス供給配管３９にはガス流量計２２を設け、その測定値を制御装置３３に与え、空気供給用電磁弁１８の開閉制御に用いている。

ここで、前記図１及び図２で示した実施の形態では、後段のガス利用設備でガス消費がある場合、脱硫塔１１ａを通過するガス量は、循環配管２５または３１による循環分だけガス量が増えることになる。図２の実施の形態では、前述のように圧力調整タンク２９とリリーフ弁３０の作用により、図１の場合のように大きく変動することは無いが、循環分だけ増えることには変わりない。

このように、後段のガス利用設備でガス消費がある場合、循環分だけ脱硫塔１１ａを通過するガス量が増えることから、充填層１１ｂでのガスと硫黄酸化細菌群の接触時間を一定以上に保つためには、脱硫塔１１ａを大きくせざるをえない。

そこで、この実施の形態では、大循環配管３５と小循環配管３６との２つの循環配管を設け、開閉弁３７，３８により、後段でのガス使用の有無に応じて大循環配管３５，小循環配管３６の切り替えを行って、ガス使用時の通過ガス量を管理できるようにしている。

すなわち、後段のガス利用設備でガスを使用（消費）しているときは、大循環配管３５の開閉弁３７を閉じ、小循環配管３６の開閉弁３８を開いて循環路を小循環側に切替える。この操作により、大循環配管３５からの循環分が加わらなくなるため、脱硫塔１１ａを通過するガス量を抑えることが可能となり、脱硫塔１１ａを必要以上に大きくする必要が無くなり、省スペースとなる。

また、後段のガス利用設備でのガス消費が無く、ガス流が無い場合は、循環路を大循環側に切替える。この操作により、脱硫塔１１ａへは大循環配管３５からの循環分だけが流れ、充填層１１ｂに坦持された硫黄酸化細菌群の活性状態を維持する。なお、大循環運転中も、一部を小循環に流すことにより、脱硫塔１１ａの通ガス量を調整することができる。

次に、図４で示す実施の形態を説明する。なお、図３と対応する部分には同一符号を付している。

この実施の形態の基本構成は、図３と同じであるが、大・小循環の切替用開閉弁４７，４８に電動の自動弁を用い、圧力調整タンク２９からガス利用設備へのガス供給配管３３に設けたガス流量計２２によりガス供給量を検出し、ガス供給量が設定値以上であれば小循環配管３６に設けた自動弁を４８を開いて循環路を小循環側に切り替え、反対に設定値に満たない場合は小循環配管３６に設けた自動弁４８を閉じ、循環路を大循環配管３５側に切り替えている。したがって、これらガス流量計２２、自動弁４７，４８は循環路切替手段として機能する。

上記構成により、図４の実施の形態では、後段のガス使用設備でのガス消費量に応じてガスの循環路を大循環配管３５又は小循環配管３６のいずれかに自動的に切り替えることができ、システムの無人化・省力化が可能となる。

このように、上記いずれの実施形態においても、硫黄化合物の酸化に関与する硫黄酸化細菌に常に適正な酸素が供給されるため、菌の活性が維持され、脱硫装置１１の後段にあるガス利用設備のガス消費量が断続的になっても、従来のように脱硫装置出口に硫黄化合物が漏出するようなことは無い。また、ガス利用設備の段続使用が可能となる。

本発明によるバイオガス精製システムの一実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明の他の実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明のさらに他の実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明のさらにまた他の実施の形態を示すシステム構成図である。

符号の説明

１１ 脱硫装置
１２ バイオガス導入配管
１３ 脱硫装置からの吐出管路
２５，３１ 循環配管
３５ 大循環配管
３６ 小循環配管
３７，３８ 開閉弁
２２，４７，４８ 循環路切替手段を構成する要素

Claims (4)

1. メタン発酵槽から発生したバイオガスを導入し硫黄酸化細菌群により脱硫する生物脱硫装置と、
   この脱硫装置により脱硫されたガスをガス利用設備に供給する吐出管路から分岐され、前記脱硫装置へのバイオガス導入管に連結し、中間部に循環ブロワを設けた循環配管と
   を備えたことを特徴とするバイオガス精製システム。
2. メタン発酵槽から発生したバイオガスを導入し硫黄酸化細菌群により脱硫する生物脱硫装置と、
   この脱硫装置により脱硫されたガスの吐出管路に設けられたブロワ、このブロワの吐出側に連結した圧力調整タンク、この圧力調整タンクに一次側が連通し二次側が前記脱硫装置へのバイオガス導入管に連通し、前記一次側の圧力を所定値に保つリリーフ弁を有する循環配管と、
   前記圧力調整タンクからガス利用設備へのガス供給配管と
   を備えたことを特徴とするバイオガス精製システム。
3. メタン発酵槽から発生したバイオガスを導入し硫黄酸化細菌群により脱硫する生物脱硫装置と、
   この脱硫装置により脱硫されたガスの吐出管路に設けられたブロワ、このブロワの吐出側に連結した圧力調整タンク、この圧力調整タンクに一次側が連通し二次側が前記脱硫装置へのバイオガス導入管に連通し、前記一次側の圧力を所定値に保つリリーフ弁を有する大循環配管と、
   この大循環配管の途中から分岐され、開閉弁を介して前記ブロワの入側管路に連通する小循環配管と、
   前記圧力調整タンクからガス利用設備へのガス供給配管と
   を備えたことを特徴とするバイオガス精製システム。
4. 圧力調整タンクからガス利用設備へのガス供給配管でのガス供給量を検出し、ガス供給量が設定値以上であれば小循環配管に設けた開閉弁を開き、設定値に満たない場合は小循環配管に設けた開閉弁を閉じる循環路切替手段を設けたことを特徴とする請求項３に記載のバイオガス精製システム。

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