JP2006329072A

JP2006329072A - 燃料供給方法及び燃料供給装置

Info

Publication number: JP2006329072A
Application number: JP2005153798A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Sawayama; 茂樹澤山; Kenichiro Tsukahara; 建一郎塚原; Tatsusaburo Nagata; 龍三郎永田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Aisin Corp
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2025-05-26
Also published as: JP4572278B2

Abstract

【課題】ガスエンジン等の燃焼機関などのガス利用機器に、再生可能有機性資源の水素発酵とメタン発酵により生じるバイオガスを、燃料として効率よく供給する方法及びそのための装置を提供する。
【解決手段】燃料供給方法を、再生可能有機性資源の水素・メタン二段発酵から生じる水素発酵ガスとメタン発酵ガスをそれぞれ貯留し、貯留された前記水素発酵ガスと前記メタン発酵ガスを混合し、その混合した混合ガスの組成を平準化してガス利用機器に供給するものとし、燃料供給装置を、前記二段発酵の水素発酵ガスタンクとメタン発酵ガスタンク、水素発酵ガスとメタン発酵ガスを混合するガス混合器を備えたものとする。好ましくは機器への供給を混合ガスを昇圧手段で昇圧し、さらには蓄圧ガスタンクに貯蔵し定圧として行い、また、ガス利用機器をガスエンジンとするのがよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、再生可能有機性資源、例えば家庭・レストラン・オフィス・食品工場等から排出される生ごみ、紙ごみ、食品系廃棄物、有機性廃水を、水素発酵とメタン発酵の二段発酵により処理して生成される発酵ガスであるバイオガスを用いて有利な燃料供給方法及びそのための燃料供給装置に関する。

ガスエンジン等の燃焼機関に用いられる燃料ガスについては、炭化水素系燃料をガスエンジンで利用する際に、水素を供給することによりノッキングを回避する方法（特許文献１参照）、熱分解ガス化システムより得られる低カロリーガスをガスエンジンで利用する方法（特許文献２参照）、制御装置の設定値によりガスの混合率を計算し、各ガスの流量を制御することにより熱量を制御して低カロリーガス燃料を用いる方法（特許文献３参照）等が提案されている。

特開２００２−２２１０９８号公報（特許請求の範囲その他）特開２００４−０９２６１１号公報（特許請求の範囲その他）特開２００４−２７８４６８号公報（特許請求の範囲その他）

本発明の課題は、ガスエンジン等の燃焼機関などのガス利用機器に、再生可能有機性資源の水素発酵とメタン発酵により生じるバイオガスを、燃料として効率よく供給する方法及びそのための装置を提供することにある。

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、水素発酵とメタン発酵の二段発酵により生じるバイオガスについては、水素発酵ガスが相対的に低い発生圧力を示すのに対し、メタン発酵ガスは相対的に高い発生圧力を示すことから、これらのガスを混合することで、この圧力差を平均化し、その混合した混合ガスの組成を平準化してガス利用機器に供給するのが課題解決に資することを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。

すなわち、本発明によれば、以下の発明が提供される。
（１）再生可能有機性資源の水素・メタン二段発酵から生じる水素発酵ガスとメタン発酵ガスをそれぞれ貯留し、貯留された前記水素発酵ガスと前記メタン発酵ガスを混合し、その混合した混合ガスの組成を平準化してガス利用機器に供給することを特徴とする燃料供給方法。
（２）前記混合ガスを昇圧手段で昇圧して前記ガス利用機器に供給する前記（１）記載の燃料供給方法。
（３）前記混合ガスを昇圧手段で昇圧し蓄圧ガスタンクに貯蔵し定圧として前記ガス利用機器に供給する前記（１）記載の燃料供給方法。
（４）前記ガス利用機器がガスエンジンである前記（１）ないし（３）のいずれかに記載の燃料供給方法。
（５）再生可能有機性資源の水素・メタン二段発酵から生じる水素発酵ガスを貯留する水素発酵ガスタンクと、前記水素・メタン二段発酵から生じるメタン発酵ガスを貯留するメタン発酵ガスタンクと、前記水素発酵ガスタンクに貯留された水素発酵ガスと前記メタン発酵ガスタンクに貯留されたメタン発酵ガスを混合するガス混合器を備え、前記ガス混合器で混合され導出された混合ガスをガス利用機器に供給することを特徴とする燃料供給装置。
（６）さらに、前記ガス混合器から導出された混合ガスを昇圧する昇圧手段を備える前記（５）記載の燃料供給装置。
（７）さらに、前記昇圧手段で昇圧された混合ガスを貯蔵する蓄圧ガスタンクを備える前記（６）記載の燃料供給装置。
（８）さらに、前記蓄圧ガスタンクから導出された混合ガスを減圧する減圧弁を備える前記（７）記載の燃料供給装置。
（９）前記ガス利用機器がガスエンジンである前記（５）ないし（８）のいずれかに記載の燃料供給装置。

本発明方法においては、まず、再生可能有機性資源の水素・メタン二段発酵によるバイオガス、すなわち水素発酵とメタン発酵により発生する水素発酵ガスとメタン発酵ガスをそれぞれ回収、貯留し、貯留された各ガスを混合して混合ガス組成を平準化させてガス利用機器に供給するが、好ましくはこのような混合、平準化の調整を、使用するガス利用機器に適合するように行わせるのがよい。
本発明方法においては、好ましくは、この混合ガスの供給に当たり、該混合ガスを昇圧手段で昇圧してから供するのがよく、さらにはこのように昇圧させた混合ガスを蓄圧ガスタンクに貯蔵し、この蓄圧ガスをガス利用機器に適合するような一定の圧力にしてから供するのがよい。昇圧手段としては昇圧ブロアや、回転型コンプレッサ、往復動型コンプレッサ等のコンプレッサなどを用いるのが好ましい。
このような方法を採択することにより、水素発酵槽の水素分圧が低く保たれ、有機物の水素発酵が効率よく進む。さらに、ガス利用機器に供給されるガスの組成や供給圧を調節できるので、ガス利用機器を効率よく安定して運転することが可能になる。

上記の水素発酵とは、酸素のない嫌気的な条件で嫌気性微生物の働きにより、有機物から水素と有機酸と二酸化炭素を生成させるもので、好ましくは２０〜７０℃、より好ましくは３０〜６０℃で行う発酵法を、また、メタン発酵とは、酸素のない嫌気的な条件で嫌気性微生物の働きにより、有機物、中でも有機酸含有物、例えば前記水素発酵での水素発酵ガスの回収された、有機酸等を含む発酵液等からメタンと二酸化炭素を生成させるもので、好ましくは２０〜７０℃、より好ましくは３０〜６０℃で行う発酵法をそれぞれ意味する。

水素発酵に用いられる水素発酵微生物は、嫌気性消化において水素、有機酸、二酸化炭素等を生成する微生物であって、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｓｐ．等が挙げられる。
また、メタン発酵に用いられるメタン発酵微生物は、嫌気性消化においてメタン、二酸化炭素を生成する微生物であって、Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｓｐ．，Ｍｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒｓｐ．，Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａｓｐ．、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｅｔａｓｐ．等が挙げられる。両者とも従来よく知られているものである。本発明では、水素発酵では特定されない多様な水素発酵微生物が生育し、メタン発酵では特定されない多様なメタン発酵微生物が成育する。このように、多様な微生物が存在することにより、原料を殺菌しなくても原料に対応した最適な微生物群が増殖し、安定した分解処理が行える。

本発明に用いられるガス利用機器としては、燃焼機関や、原料ガスを所望ガス、例えば水素等に改質するガス改質装置などが挙げられる。
燃焼機関としては、例えばガスエンジンや、ガスバーナー、改質装置に付属する燃焼器等が挙げられる。
本発明にいうガスエンジンとは、シリンダー内で点火プラグにより燃料に点火し、燃焼によりピストンを動かす内燃機関を意味し、発電機やコージェネレーションとして一般的に利用されている装置を意味する。バイオガスは５０００から６０００ｋｃａｌ／Ｎｍ³の低カロリーガスであるため、バイオガスのみを用いる場合は低カロリーガスに対応したガスエンジンを用いる必要がある。バイオガスと同時に都市ガスや軽油を使用する複合燃料タイプのガスエンジンは、低カロリーガスに対応していなくてもよい。
また、前記ガス改質装置に本発明方法を適用して所定混合ガスを供給すると、ガス組成が平準化されていること、さらに好ましくは圧力が安定していることにより、改質反応が安定化し、改質効率を向上させることが可能になる。

本発明において用いられる再生可能有機性資源は、バイオマス等の資化可能な有機性材を含む各種資源であれば特に制限されず、例えば有機性廃棄物、有機性廃水、中でも生ごみ、食品系廃棄物、紙ごみ等が挙げられ、生ごみや食品系廃棄物としては、家庭・レストラン・食品工場等から排出される食品残滓や廃水などが、また、紙ごみとしては廃棄紙類、シュレッダーにかけられた紙ごみなどがそれぞれ挙げられる。
再生可能有機性資源としては、有機性廃棄物、有機性廃水がコストや量的に有利である。

本発明方法としては、まず水素発酵槽内で水素発酵微生物群と再生可能有機性資源、例えば生ごみと紙ごみの粉砕混合物を、含水率７５〜９９．９％望ましくは８５〜９８％に調整し、２０℃以上望ましくは３０〜６０℃更に好ましくは３５〜５５℃で湿式可溶化水素発酵処理させ、そして、可溶化水素発酵後の発酵液を原料として、メタン発酵槽内でメタン発酵微生物群と混合し、２０℃以上望ましくは３０〜６０℃更に好ましくは３５〜５５℃で湿式メタン発酵処理させるのがよい。

このようにして、有機性廃棄物や廃水を水素・メタン二段発酵処理すると、有機物が分解されて水素、メタン、二酸化炭素を主成分とするバイオガスが得られる。この方法では、水素発酵の有機物分解速度が速いため、発酵が迅速に進み発酵槽を小型化できるという利点がある。

また、水素の純度を上げるために水素発酵槽の上部に水素分離部（図示略）を配置してもよい。水素分離部では、水素を透過させるが、二酸化炭素等の他のガスは透過させない水素分離膜、例えばパラジウム膜やパラジウム合金膜などを用いた膜分離器により、又は混合ガスをアルカリ溶液に透過させることにより二酸化炭素を吸収させて回収したりすることにより、水素濃度を高めることができる。
このように精製された高純度の水素は、燃料電池用に好適である。

本発明方法では、水素・メタン二段発酵処理で生成する水素発酵ガスとメタン発酵ガスは前者の方が後者よりも相対的に発生圧力が低いことから、これらのガスをそれぞれ回収・貯留後、ガス混合器でガスを混合することで、混合ガス組成を平準化してガス利用機器、例えばガスエンジン等の燃焼機関などに供することが可能になる。

また、本発明方法で、低圧で貯留されたガスを混合後、さらに昇圧手段、例えば昇圧ガスブロア又はコンプレッサなどで昇圧してガス利用機器、例えばガスエンジン等の燃焼機関などに供給することで、それに最適なガス供給圧を維持することが可能になる。

さらにまた、本発明方法では低圧で貯留されたガスを混合後、昇圧手段、例えば昇圧ガスブロア又はコンプレッサなどで昇圧し、さらに昇圧された混合ガスを蓄圧ガスタンクに貯蔵したのち、一定圧に調整してガス利用機器、例えばガスエンジン等の燃焼機関などに供給することで、それに最適なガス供給圧を安定して維持することが可能になる。
蓄圧ガスタンクは、蓄圧機能の他、ガス利用機器のガス使用量と発酵ガス量との差異を吸収するバッファー機能や、ガスのさらなるミキシング機能をも備えており、この蓄圧ガスタンクに減圧弁を併用することにより混合ガスを定圧にすることができる。

本発明の燃料供給装置は、このような本発明方法に用いて好適なものであり、再生可能有機性資源の水素・メタン二段発酵から生じる水素発酵ガスを貯留する水素発酵ガスタンクと、前記水素・メタン二段発酵から生じるメタン発酵ガスを貯留するメタン発酵ガスタンクと、前記水素発酵ガスタンクに貯留された水素発酵ガスと前記メタン発酵ガスタンクに貯留されたメタン発酵ガスを混合するガス混合器を備えてなり、前記ガス混合器で混合され導出された混合ガスをガス利用機器に供給するものである。
この燃料供給装置は、さらに、前記ガス混合器から導出された混合ガスを昇圧する昇圧手段を備えるのが好ましく、また、前記昇圧手段で昇圧された混合ガスを貯蔵する蓄圧ガスタンクを備えるのが好ましく、さらにまた、前記蓄圧ガスタンクから導出された混合ガスを減圧する減圧弁を備えるのが好ましい。この昇圧手段としては前記したように昇圧ブロアや、回転型コンプレッサ、往復動型コンプレッサ等のコンプレッサなどを用いるのが好ましい。
また、前記ガス利用機器はガスエンジンであるのが好ましい。

本発明によれば、有機性廃棄物や廃水中の有機物が水素発酵処理とメタン発酵処理を順番に受け、分解消化に関わる微生物についてそれぞれの発酵で最適な温度、ｐＨ、滞留時間、酸化還元電位、水素分圧等を維持するようにして、有機物の分解速度を速め、水素ガスとメタンガスをより迅速に発生させうる。こうして発生させた水素発酵ガスとメタン発酵ガスを、ガス混合器で混合し、昇圧手段、例えば昇圧ガスブロア又はコンプレッサなどにより昇圧し、蓄圧ガスタンクに貯蔵後、一定圧でガス利用機器、例えばガスエンジン等の燃焼機関などに混合されたバイオガスを供給することにより、ガス利用機器、例えばガスエンジン等の燃焼機関などを高エネルギー効率で安定に運転することが可能になる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳述する。
図１は本発明を実施する場合のフローシートを示す。

図１において、１は原料貯留タンク、２は原料配管、３は水素発酵槽、４は水素発酵ガス配管、５は水素発酵ガス貯留タンク、６は水素発酵物配管、７はメタン発酵槽、８は貯留水素ガス配管、９はメタン発酵ガス配管、１０はメタン発酵ガス貯留タンク、１１は貯留メタンガス配管、１２はガス混合器、１３は混合ガス配管、１４は昇圧ブロア又はコンプレッサ、１５は昇圧ガス配管、１６は蓄圧ガス貯留タンク、１７は蓄圧貯留ガス配管、１８は減圧弁、１９は一定圧ガス配管、２０はガスエンジン、２１はメタン発酵処理物配管、２２は処理物貯留タンクをそれぞれ示す。

図１に従って本発明を実施するには、有機性廃棄物や廃水を貯留する原料タンク１より原料配管２を通って、水素発酵を生じさせる微生物群を含有する水素発酵槽３に供給する。水素発酵槽３は嫌気的な条件に保つ。
水素発酵を生じさせる微生物群としては、下水処理場の下水汚泥の嫌気性消化汚泥やコンポスト（堆肥）等を使用すればよい。

この水素発酵槽３において、有機性廃棄物や廃水は水素発酵微生物の分解作用を受け、有機物が水素と二酸化炭素と有機酸に迅速に安定的に分解される。

水素発酵槽３内で発生した水素を含む水素発酵ガスの発生ガス圧は０．１〜０．５ｋＰａである。この水素発酵ガスは水素発酵ガス配管４を通って水素発酵ガス貯留タンク５に貯留される。この場合の水素含有ガスは、通常Ｈ₂：４０〜８０モル％、ＣＯ₂：２０〜６０モル％を含有する。

一方、水素発酵槽３で得られた発酵物は水素発酵物配管６を通ってメタン発酵槽７に導入される。メタン発酵槽７は嫌気的な条件に保つ。
メタン発酵を生じさせる微生物群としては、下水処理場の下水汚泥の嫌気性消化汚泥等を使用すればよい。

このメタン発酵槽７において、有機酸を主体とする発酵液はメタン発酵微生物の作用を受け、メタンと二酸化炭素に分解される。このメタン生成処理により、原料中の有機酸は迅速に安定的に分解される。

メタン発酵槽７内で発生したメタンを含むメタン発酵ガスの発生ガス圧は１．０〜５．０ｋＰａである。このメタン発酵ガスはメタン発酵ガス配管９を通ってメタン発酵ガス貯留タンク１０に貯留される。この場合のメタン含有ガスは、通常ＣＨ₄：４０〜９０モル％、ＣＯ₂：１０〜６０モル％を含有する。

貯留された水素ガスは、貯留水素ガス配管８を通って、ガス混合器１２に送られ、貯留されたメタンガスも同様に、貯留メタンガス配管１１を通って、ガス混合器１２に送られ水素発酵ガスとメタン発酵ガスが混合される。ガス混合器１２は、具体的には貯留水素ガス配管８に付設された流量制御弁１２ａと、貯留メタンガス配管１１に付設された流量制御弁１２ｂと、貯留水素ガス配管８と貯留メタンガス配管１１を合流させることによって構成される。流量制御弁１２ａ、１２ｂにより水素発酵ガスとメタン発酵ガスの混合比が所望組成（水素／メタン比）に制御される。混合ガスは、混合ガス配管１３を通って昇圧手段１４に吸引されガス圧が高められる。昇圧したガスは昇圧ガス配管１５を通って、蓄圧ガス貯留タンク１６に一端貯留された後、蓄圧貯留ガス配管１７を通って減圧弁１８でガス圧を５ｋＰａと一定にし、一定圧ガス配管１９を通ってガスエンジン２０に送られる。
水素発酵ガスは前記したように発生ガス圧が極めて低いので、昇圧手段１４により吸引することにより、水素発酵ガスとメタン発酵ガスを確実に混合することができる。前記したように、発生ガス圧が大きく異なる水素発酵ガスとメタン発酵ガスを混合して利用するためには、このようにガス混合器１２と昇圧手段１４が重要な役割を果たしている。

水素発酵ガスとメタン発酵ガスはガス混合器により平準化され、昇圧ブロア又はコンプレッサにより吸引、昇圧され蓄圧ガスタンクから一定圧でガスエンジンに供給されるので、ガスエンジンは安定して効率良く運転することができる。

一方、メタン発酵槽７で得られた処理物はメタン発酵物配管２１を通って処理物貯留タンク２２に貯留される。

処理物は、通常溶存有機物や溶存無機物の濃度の低いものであり、必要に応じ廃水処理後放流される。

本発明方法及び本発明装置の説明図。

符号の説明

１原料貯留タンク
２原料配管
３水素発酵槽
４水素発酵ガス配管
５水素発酵ガス貯留タンク
６水素発酵物配管
７メタン発酵槽
８貯留水素ガス配管
９メタン発酵ガス配管
１０メタン発酵ガス貯留タンク
１１貯留メタンガス配管
１２ガス混合器
１３混合ガス配管
１４昇圧ブロア又はコンプレッサ
１５昇圧ガス配管
１６蓄圧ガス貯留タンク
１７蓄圧貯留ガス配管
１８減圧弁
１９一定圧ガス配管
２０ガスエンジン
２１メタン発酵処理物配管
２２処理物貯留タンク

Claims

再生可能有機性資源の水素・メタン二段発酵から生じる水素発酵ガスとメタン発酵ガスをそれぞれ貯留し、貯留された前記水素発酵ガスと前記メタン発酵ガスを混合し、その混合した混合ガスの組成を平準化してガス利用機器に供給することを特徴とする燃料供給方法。
前記混合ガスを昇圧手段で昇圧して前記ガス利用機器に供給する請求項１記載の燃料供給方法。
前記混合ガスを昇圧手段で昇圧し蓄圧ガスタンクに貯蔵し定圧として前記ガス利用機器に供給する請求項１記載の燃料供給方法。
前記ガス利用機器がガスエンジンである請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料供給方法。
再生可能有機性資源の水素・メタン二段発酵から生じる水素発酵ガスを貯留する水素発酵ガスタンクと、前記水素・メタン二段発酵から生じるメタン発酵ガスを貯留するメタン発酵ガスタンクと、前記水素発酵ガスタンクに貯留された水素発酵ガスと前記メタン発酵ガスタンクに貯留されたメタン発酵ガスを混合するガス混合器を備え、前記ガス混合器で混合され導出された混合ガスをガス利用機器に供給することを特徴とする燃料供給装置。
さらに、前記ガス混合器から導出された混合ガスを昇圧する昇圧手段を備える請求項５記載の燃料供給装置。
さらに、前記昇圧手段で昇圧された混合ガスを貯蔵する蓄圧ガスタンクを備える請求項６記載の燃料供給装置。
さらに、前記蓄圧ガスタンクから導出された混合ガスを減圧する減圧弁を備える請求項７記載の燃料供給装置。
前記ガス利用機器がガスエンジンである請求項５ないし８のいずれかに記載の燃料供給装置。