JP2006143781A - バイオガス精製システム - Google Patents

Abstract

【課題】 生物脱硫装置に用いられる好気性の硫黄酸化細菌群に対する酸素供給を適切に行い、その活性を維持して高い脱硫性能を維持できるバイオガスの精製システムを提供する。
【解決手段】 メタン発酵槽から発生したバイオガスを生物脱硫装置１１に導入し硫黄酸化細菌群により脱硫する。生物脱硫装置１１に対するバイオガスの導入配管１２に連結され空気注入装置２０を制御装置２３により制御して、予め設定した一定量の空気を基本注入量として常時注入させると共に、この生物脱硫装置１１からのバイオガスの吐出管路１３に設けられたガス流量計２２の計測値に応じて予め設定した量の空気を調整量として注入させる。さらに、前記吐出管路１３に設けられた酸素濃度計２１の計測値が設定値以上になると空気注入を停止させている。
【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。なお、循環液を循環・散布するための循環ポンプは、電力消費を抑えるため断続運転される。

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、ガス中の酸素濃度が設定値以上になると空気の注入は休止する。

このような空気注入を行なうため、エアポンプとその出口に電磁弁を設けて空気注入装置を構成する。そして、脱硫され脱硫塔から吐出されたガスの積算流量が一定量増加する毎に、流入するバイオガスの硫化水素濃度に従って予め設定した時間だけ電磁弁を開いて空気注入を行なっていた。

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。また、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

しかし、このような生物脱硫装置では、前述のように脱硫されたガス流量の積算値が一定量増加する毎に、予め設定した時間だけ空気注入を行なっているため、ガス流量が少なくなると、空気注入が途切れる時間が長くなる。このため、脱硫塔内が嫌気性になり、硫黄酸化細菌群の活性が低下して脱硫性能が一時的に低下する場合がある。

また、運転開始時の立ち上がりの際に、硫黄化合物が除去しきれずに出口側に漏出したり、立ち上がりに時間がかかるという問題点がある。

本発明の目的は、生物脱硫装置に用いられる好気性の硫黄酸化細菌群に対する酸素供給を適切に行い、その活性を維持して高い脱硫性能を維持できるバイオガスの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、この生物脱硫装置により脱硫されたバイオガスの吐出管路に設けられた酸素濃度計及びガス流量計と、前記生物脱硫装置に未処理のバイオガスを導入させる管路に連結され所定量の空気を注入する空気注入装置と、この空気注入装置により、予め設定した一定量の空気を基本注入量として常時バイオガス導入管路に注入させると共に前記ガス流量計の計測値に応じて予め設定した量の空気を調整量として注入させ、前記酸素濃度計の計測値が設定値以上になると空気注入を停止させる制御装置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では、空気注入装置は、基本空気量を生じる第１の空気系統と調整量を生じる第２の空気系統を有する。

また、本発明のバイオガス精製システムでは、空気注入装置は、一つの空気系統に設けられた電動弁を開度制御することにより、基本注入量と調整量とを得るようにしてもよい。

また、本発明のバイオガス精製システムでは、空気注入装置は、一つの空気系統に設けられたエアポンプの回転数を変化させることにより、基本注入量と調整量とを得るようにしてもよい。

また、本発明のバイオガス精製システムでは、制御装置は、生物脱硫装置の運転開始から所定時間、空気調整装置により注入される空気量が過剰になるように制御するとよい。

また、本発明のバイオガス精製システムでは、制御装置は、生物脱硫装置の運転開始から、酸素濃度計の計測値が設定値になるまで、空気調整装置により注入される空気量が過剰になるように制御してもよい。

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、この生物脱硫層の脱硫塔内の前記硫黄酸化細菌群に散布された液を脱硫塔下部から取り出して脱硫塔上部に循環させ、再び前記硫黄酸化細菌群に散布させる循環用配管と、この循環用配管の途中に設けられ、この配管内を流れる循環液に空気を供給する散気装置とを備えている。

また、本発明のバイオガス精製システムでは、散気装置は、循環液の溶存酸素量を計測する計測手段を有し、この計測手段の計測値に従って循環液に供給される空気量を制御するとよい。

本発明によれば、生物脱硫装置に用いられる好気性の硫黄酸化細菌群に対し、基本注入量の空気を絶えることなく流し続けたり、循環液に空気を散記したりして、酸素供給を適切に行うので、その活性を維持して高い脱硫性能を維持できる。

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内下部から取り出された循環液を、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、空気注入装置２０により空気管１９を介して空気を注入し、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、空気注入装置２０の制御装置２３に入力することにより、空気の注入制御を行なう。

空気注入装置２０は、エアポンプ１７aによる第１の空気系統と、エアポンプ１７ｂ及びその出側に連結された電磁弁１８による第２の空気系統を有する。第１の空気系統は、後述する基本注入量の空気を生じ、第２の空気系統は同じく後述する調整量の空気を生じる。上記エアポンプ１７ａ，１７ｂは制御装置２３によりオン・オフ制御され、電磁弁１８は同じく制御装置２３により開・閉制御される。

制御装置２３は、脱硫塔１１ａ内の嫌気化を防ぐために、予め設定した一定量の空気を基本注入量として、エアポンプ１７aによる第１の空気系統から、常時バイオガス導入配管１２に注入させるように制御する。また、脱硫されたガスの吐出管路１３に設けられたガス流量計２２の計測値に応じて予め設定した量の空気を調整量として、エアポンプ１７ｂ電磁弁１８による第２の空気系統から注入させるように制御する。さらに、酸素濃度計２１の計測値が設定値以上になると空気注入装置２０による空気注入を停止させるように制御する。

ここで、ガス流量計２２の計測値に応じて予め設定した量の空気を調整量として注入する制御とは、例えば、ガス流量計２２の積算流量が一定量増加する毎に、流入するバイオガスの硫化水素濃度に従って予め設定した時間だけ電磁弁１８を開いて、この電磁弁１８開時間に対応する空気量を調整量として注入すればよい。

このように、空気注入用のエアポンプを２台設け、このうち1台のエアポンプ１７ｂは電磁弁１８と連結して第２の空気系統を構成し、ガス流量計２２の積算流量が一定量増加する毎に、流入するバイオガスの硫化水素濃度に従って予め設定した時間だけ電磁弁１８を開く制御を行い、後段の図示しないガス利用設備のガス消費に伴うバイオガスの流量変化に対応させている。また、残る1台のエアポンプ１７ａ（第１の空気系統）は、常時空気注入することで、バイオガスが流れている時の空気注入を常時維持している。

すなわち、従来は、ガス流量が少なくなると、空気注入が途切れる時間が長くなって脱硫塔１１ａ内が嫌気性になり、硫黄酸化細菌群の活性が低下して脱硫性能が一時的に低下する場合があったが、この実施の形態では、ガスが流れている時には空気注入が停止せず、常時、必ず空気注入を維持して脱硫塔１１ａ内が嫌気性になるのを防ぐので、硫黄酸化細菌群の活性が低下せず、高い脱硫性能を維持できる。

また、生物脱硫装置１１は、運転開始時の立ち上がりの際に硫黄化合物が除去しきれずに出口側に漏出したり、立ち上がりに時間がかかったりするが、空気注入装置２０により、立ち上がり時間帯に、空気を過剰に注入して細菌の活性の回復を早めれば、早期に立ち上げることができる。

なお、エアポンプ１７ｂは、出口に設けられた電磁弁１８が閉の時は停止し、開の時は運転する。また、エアポンプ１７ａは、ガス流量が設定値以上で運転し、設定値未満で停止する。

次に、図２で示す実施の形態を説明する。なお、図１で示した部分と対応する部分には同じ番号を付している。

この実施の形態では、第１の空気系統のエアポンプ１７ａ及び第２の空気系統のエアポンプ１７ｂの出口側に、これらの空気系統が空気注入を行わない時に、空気を大気放出するための電磁弁１９ａ、１９ｂを設けている。この構成により、エアポンプ１７ａ，１７ｂの連続運転を可能とした。すなわち、各エアポンプ１７ａ，１７ｂの出口側には、バイオガス導入用配管１２への空気注入用電磁弁１８ａ，１８ｂが設けられるが、これら空気注入用電磁弁１８ａ，１８ｂより前方（対応するエアポンプ寄り）の配管部分に大気放出用の電磁弁１９ａ、１９ｂを設けている。

この場合、エアポンプ１７ｂに対応して設けた大気放出用の電磁弁１９ｂは、対応する注入用の電磁弁１８ｂが閉の時は開、開の時は閉となるように制御される。また、エアポンプ１９ａに対応して設けた大気放出用の電磁弁１９ａは、ガス流量が設定値以上の場合は、注入電磁弁１８ａが開となるので反対に閉，設定値未満の場合は、注入電磁弁１８ａが閉となるので反対に開となるように制御される。

これらの結果、各エアポンプ１７ａ，１７ｂは、バイオガス導入配管１２への空気注入の有無にかかわらす（注入無しの場合は大気開放される）、停止されることなく連続運転される。

次に、図３で示す実施の形態を説明する。上述した図１及び図２の実施の形態では、第１および第２の空気系統により、基本注入量と調整量とを得ていたが、図３の実施の形態では、エアポンプ１７と、その出口側に連結された電動弁２８とで構成された一つの空気系統により、基本注入量と調整量とを得ている。

すなわち、空気注入装置２０は、エアポンプ１７及び電動弁２８からなる一つの空気系統からなり、上記電動弁２８の開度制御することにより、基本注入量と調整量とを得ている。

このように、空気注入用のエアポンプ１７の出口に電動弁２８を設け、この電動弁２８の開度制御により、常時、基本注入量の空気を注入すると共に、ガス流量計２２の瞬時流量に比例演算して開度を調整し、ガス流量に対応した調整量の空気を制御する。

この場合、エアポンプ１７は電動弁２８が全閉となった時は停止し、全閉以外の時は運転する。

電動弁２８の開度は、ガス流量計２２の瞬時流量の変化をPID演算した出力により制御してもよい。また、電動弁２８の開度を、酸素濃度計２１の瞬時値の変化をPID演算した出力により制御してもよい。

さらに、ガス流量がゼロ（生物脱硫装置１１の運転停止状態）から立ち上った後、一定時間はエアポンプ１７からの空気を全量注入（過剰注入）するようにしてもよい。このようにすれば、生物脱硫装置１１の立ち上がりを早めることができる。この場合、ガス流量がゼロになった時間によって、エアポンプ１７からの空気を全量調整する時間（時間）を調整するとよい。また、酸素濃度計２１の指示値が設定値に到達するまでの間、エアポンプ１７からの空気を全量調整（過剰注入）するようにしてもよい。

これらの結果、生物脱硫装置１１の立ち上がり時間を短縮できると共に、運転中の一時的な性能低下を防止でき、信頼性を向上させることができる。

なお、上記実施の形態では、一つの空気系統で基本注入量と調整量とを得る手法として電動弁２８を開度制御していたが、エアポンプ１８の回転数を変化させることにより、基本注入量と調整量とを得るようにしてもよい。

次に、図４で示す実施の形態を説明する。この実施の形態では、バイオガスに対する空気の注入は、従来と同様であり、エアポンプ１７とその出口に電磁弁１８を設けて空気注入装置２０を構成し、脱硫塔１１ａからの吐出管路１３に設けたガス流量計２２の積算流量が一定量増加する毎に、流入するバイオガスの硫化水素濃度に従って予め設定した時間だけ電磁弁１８を開いて空気注入を行なっている。ただし、これだけでは、前述のように、ガス流量が少なくなると、空気注入が途切れる時間が長くなり、脱硫塔１１ａ内が嫌気性になるという問題が生じる。

そこで、脱硫塔１１ａの充填層１１ｃに散布される循環液に空気を供給し、溶存酸素濃度を増加させ、脱硫塔１１ａ内の嫌気性化を防止して、充填層１１ｂに坦持された硫黄酸化細菌群の活性を保ち、高い脱硫性能を維持するものである。

すなわち、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内下部から取り出された循環液を充填層１１ｂに散布し、バイオガスと硫黄酸化細菌群との接触により、硫黄系化合物が酸化することで生成された硫酸を循環液中に捕捉し、除去しているが、この実施の形態では、この循環液の溶存酸素濃度を増加させ、好気性の硫黄酸化細菌群の活性を維持するものである。

具体的には、循環用配管１６の途中に、この配管１６内を流れる循環液に空気を供給する散気装置３１を設けた構成とする。散気装置３１は、循環液を一次的に貯留させる循環液タンク３２と、この循環液タンク３２内に設けられた散気器３３と、この散気器３３に空気を供給する散気ブロワ３４とで構成される。

このように、循環液溜まりである循環液タンク３２を脱硫塔１１ａから分離し、この循環液タンク３２内に設けられた散気器３３へ、散気ブロワ３４から空気を供給し、循環液を曝気するなどして、液中の溶存酸素濃度を増加させている。このため、ガス流が止まっている時やガスが流れ始める立ち上がり時においても、循環液から脱硫塔１１ａ内に酸素が供給されるので、脱硫塔１１ａ内の嫌気性化を防止して、好気性の硫黄酸化細菌群の活性を保ち、高い脱硫性能を維持できる。

また、バイオガスへの空気注入を過剰に行った方が硫黄酸化細菌群の活性が良くなって脱硫性能は向上するが、精製ガスの酸素濃度も上昇するので、酸素濃度に制限のあるガス利用設備、例えば、燃料電池への適用が難しかった。しかし、この実施の形態では、循環液から酸素を供給することで過剰な空気注入を要することなく脱硫性能を良好に保ち、しかも、精製ガスの酸素濃度を低く維持することが可能となる。

次に、図５で示す実施の形態を説明する。この実施の形態では、図４で示した散気装置３０に、循環液の溶存酸素量を計測する計測手段３５を設け、この計測手段３５の計測値に従って、制御装置３６により散気ブロワ３３の回転数をインバータ制御し、循環液に供給される空気量を制御している。

すなわち、循環タンク３１に、溶存酸素量の計測手段３５として、内容液の酸化還元電位を計測するORP計を設置し、ORPを一定に保つように散気ブロワ３３の回転数を調整し空気量を制御している。なお、溶存酸素量の計測手段３５として、上述したORP計の代わりにDO計を使用してもよい。

これらの場合も、ガス流量がゼロから立ち上ったときは、循環ポンプ１５を一定時間連続運転することで、脱硫塔１１ａ内の硫黄酸化細菌群の活性を促進し、立ち上げ時間を早めることができる。

これらの結果、生物脱硫装置の立ち上がり時間を早めると共に、運転中の一時的な性能低下を防ぎ、信頼性を向上させることができる。また、後段への酸素漏出を抑えつつ脱硫性能を向上させることが可能である。

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。 本発明における空気注入装置に大気放出弁を設けた実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明における空気注入装置としてエアポンプと電動弁とによる１つの空気系統を用いた実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明における酸素供給手段として循環液に対する散気を用いた実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明における酸素供給手段として循環水に対する散気を用い、循環液の溶存酸素濃度により散気制御を行なう実施の形態を示すシステム構成図である。

符号の説明

１１ 生物脱硫装置
１２ バイオガス導入用配管
１３ 脱硫後バイオガス吐出管路
１６ 循環用配管
１７ エアポンプ
１８ 電磁弁
２０ 空気注入装置
２１ 酸素濃度計
２２ ガス流量計
３０ 散気装置
３５ 溶存酸素の計測手段

Claims (8)

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、
   この生物脱硫装置により脱硫されたバイオガスの吐出管路に設けられた酸素濃度計及びガス流量計と、
   前記生物脱硫装置に未処理のバイオガスを導入させる管路に連結され所定量の空気を注入する空気注入装置と、
   この空気注入装置により、予め設定した一定量の空気を基本注入量として常時バイオガス導入管路に注入させると共に前記ガス流量計の計測値に応じて予め設定した量の空気を調整量として注入させ、前記酸素濃度計の計測値が設定値以上になると空気注入を停止させる制御装置と
   を備えたことを特徴とするバイオガス精製システム。
2. 空気注入装置は、基本空気量を生じる第１の空気系統と調整量を生じる第２の空気系統を有することを特徴とする請求項１に記載のバイオガス精製システム。
3. 空気注入装置は、一つの空気系統に設けられた電動弁を開度制御することにより、基本注入量と調整量とを得ることを特徴とする請求項１に記載のバイオガス精製システム。
4. 空気注入装置は、一つの空気系統に設けられたエアポンプの回転数を変化させることにより、基本注入量と調整量とを得ることを特徴とする請求項１に記載のバイオガス精製システム。
5. 制御装置は、生物脱硫装置の運転開始から所定時間、空気調整装置により注入される空気量が過剰になるように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精製システム。
6. 制御装置は、生物脱硫装置の運転開始から、酸素濃度計の計測値が設定値になるまで、空気調整装置により注入される空気量が過剰になるように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精製システム。
7. 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、
   この生物脱硫層の脱硫塔内の前記硫黄酸化細菌群に散布された液を脱硫塔下部から取り出して脱硫塔上部に循環させ、再び前記硫黄酸化細菌群に散布させる循環用配管と、
   この循環用配管の途中に設けられ、この配管内を流れる循環液に空気を供給する散気装置と
   を備えたことを特徴とするバイオガス精製システム。
8. 散気装置は、循環液の溶存酸素量を計測する計測手段を有し、この計測手段の計測値に従って循環液に供給される空気量を制御することを特徴とする請求項７に記載のバイオガス精製システム。

Images