JP2006522588A - 自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム - Google Patents

Abstract

本方法に従って作動する嫌気的に分解された有機物質からメタンおよび／または高純度水素を生成するための方法だけでなく、この方法にしたがって作動するメタンおよび／または高純度水素生成システムが提供される。少なくとも４０ｓｌｐｍの所望する生成ガスを供給できる本発明のシステムは、完全に自給式であり、外部エネルギーソースを必要とせず、少数の部品から構成されるので、プラントの占有面積は狭くてすみ、かつ更新可能なメタンおよび水素のコスト的により有効なソースとなり得る。

Description

本願は２００３年１月２９日に米国特許庁に出願された米国仮特許出願第60/443,410号に基づく優先権を主張するものである。

本発明は一般的には嫌気状態で分解された有機物質からメタンおよび／または高純度の水素を生成するための方法に関し、更に本発明の方法に従って作動する自給式の流線型のメタンおよび／または高純度水素生成システムにも関する。

水素のためのスチーム改質プラントは二酸化炭素の除去のタイプに応じて、一般的に２つのタイプに分かれる。

１９８０年台後期以来製造された水素プラントは、精製のために圧力スイング吸収（ＰＳＡ）方法を使用する傾向があるが、他方、古い水素プラントは湿潤式スクラビングを使用している。

湿潤式スクラビング水素プラントのための最も一般的な構造は、２段のシフト変換を使用し、その後に湿潤式スクラビングおよびメタン化が続く。一般にアミンまたは炭酸カリウムを基本に、種々のスクラビング方法が使用されている。生成物の純度は、主に改質器を離間するメタンの量に応じて決まる。

ＰＳＡに基づく水素プラントは、一般にスチーム改質器と、単一の高温シフトコンバータと、ガス冷却および最終的にＰＳＡによる精製を使用している。ＰＳＡプラントの生成物の純度は湿潤式スクラビングプラントの場合のように改質条件とリンクしていない。このタイプのプラントは一般に９９.９９％の純度の水素を生成する。電子業界、食品業界およびフロートガラス業界に必要なより高い純度の水素（すなわち９９.９９９９％以上）を得るには、ＰＳＡが７５％未満のより低い回収率で作動されるか、または純度を高めたい場合にはＰＳＡ出力を極低温システムに通す。

水素の通常の消費者に少量の水素を供給するようになっている場合でも、現在のＰＳＡに基づく水素プラントは大規模な水素プラントのために使用されるのと同じプラットフォームに基づき、外部電源に依存している。改質器を所定の温度までランプバックさせなければならない場合、およびＰＳＡシステムをフル稼働に戻さなければならない場合、短い停電でもかかるプラントは何時間もの間、非稼働状態となり得る。

更に上記概略を述べた水素生成方法は水素を生成するのに化石燃料に依存していることに留意すべきである。しかしながら、化石燃料に依存することは多数の理由から問題がある。第１に、外国のソースから輸入される化石燃料は法外な価格上昇を受け、供給容量に限界があること。第２に、これら燃料に存在する蓄積エネルギーは燃焼中にしか解放できず、燃焼は大気に有害な汚染物を放出する。従って、経済的および環境の見地の双方から、燃料の代替ソースを開発することが妥当であるように思われる。

従って、水素を生成するのに化石燃料に依存しない自給式の流線型水素生成システムが求められている。

従って、本発明の目的はかかるシステムを提供することにある。

本発明のより特定の目的は、メタンおよび高純度水素の更新可能なソースを生成するための、より信頼性があり、コスト的に有効なシステムを提供することにある。

本発明の更に特定の目的は、構造が流線型であり、有機材料、例えば動物の排出物を望ましい生成ガスに変換する、自給式のメタンおよび／または高純度水素生成システムを提供することにある。

従って、本発明は嫌気状態で分解された有機材料からメタンおよび／または高純度水素を生成するための自給式流線型方法を提供することにある。エネルギーの外部ソースに依存しない本発明の方法は、内部で使用される１つ以上のガス駆動装置に燃料を供給するのに生物ガスを使用するものであり、
１）内部に含まれるバクテリアおよび／または酵素の作用により、有機材料を嫌気的に分解し、メタンと、二酸化炭素と、硫化水素、窒素および酸素を含む微量の不純物とを含む、混合ガスストリームを生成するステップと、
２）オプションとして凝縮された混合ガスストリームの一部を１つ以上のガス被動エンジンへ送り、これらエンジンの燃料を供給するステップとを備え、前記１つ以上のガス被動エンジンが発電機およびオプションとしての圧縮機へ動力を供給し、発電機が水素生成除去システムおよび／または混合ガス精製装置およびオプションとしての圧縮機へ給電するための電気エネルギーを発生するようになっており、
３）ガスストリームを圧縮するための圧縮機へオプションとして凝縮された混合ガスストリームの残りの部分を送るステップと、
４）ａ．圧縮された混合ガスストリームから硫化水素および／または二酸化炭素を除去し、メタン生成物ストリームを生成するよう働く混合ガス精製装置および／または
ｂ．圧縮された混合ガスストリームから水素濃度の高いガスを生成するための手段と、水素濃度の高いガスから水素を選択的に除去し、高純度の水素生成物ストリームを生成するための手段とを備えた、水素生成除去システムへ圧縮された混合ガスストリームを送るステップとを備える。

本発明は、
１）内部に含まれるバクテリアおよび／または酵素の作用により、有機材料を嫌気状態で分解し、メタンと、二酸化炭素と、硫化水素、窒素ならびに酸素を含む微量の不純物とを生成する嫌気性分解器と、
２）前記嫌気性分解器と流体連通し、更に水素生成除去システムおよび／または混合ガス精製装置と流体連通する少なくとも１つの圧縮機と、
３）前記嫌気性分解器と流体連通すると共に、水素生成除去システムおよび／または混合ガス精製装置と電気的に接続され、更にオプションとして圧縮機と電気的に接続された少なくとも１つの混合ガス被動発電機とを備え、
４）ａ．前記混合ガス精製装置は混合ガスストリームから硫化水素および／または二酸化炭素を除去し、メタン生成物ストリームを生成するように働き、更に混合ガス精製装置は圧縮機と流体連通し、発電機と電気的に接続しており、および／または
ｂ．前記水素生成除去システムが圧縮された混合ガスストリームから水素濃度の高いガスを生成するための手段と、高純度の水素生成物ストリームを生成するよう、水素濃度の高いガスから水素を選択的に除去するための手段とを備え、前記水素生成除去システムが所定の作動圧を有し、前記圧縮機と流体連通すると共に、前記発電機と電気的に接続されている。

当業者が次の詳細な説明および添付図面を見れば、本発明の上記以外の特徴および利点が明らかとなろう。

特に定義しない限り、本明細書で使用するすべての技術的および科学的用語は、本発明が属す技術分野に精通する者が一般に理解するのと同一の意味を有する。本明細書で言及するすべての刊行物、特許出願、特許およびその他の参考例は全体を参考例として援用する。競合する場合、定義を含む本明細書は対照となる。更に資料、方法および例は単なる説明のものにすぎず、発明を限定するものではない。

添付図面を参照し、本明細書に開示する発明の特定の特徴について図示する。

本発明のメタンおよび／または高純度水素生成システムは完全に自給式であり、外部のエネルギーソース（例えば電気、天然ガスなど）を必要とせず、標準条件で毎時少なくとも１００立方フィート（１００ｓｃｆｈ）または毎分４０標準リットル（４０ｓｌｐｍ）の所望する生成ガスを供給できる。本発明のシステムはほとんど構成要素を必要としないので、工場の占有面積を狭くすることができ、更新可能なメタンおよび水素のよりコスト的に有効なソースを提供できる。更に本発明のシステムは、メタンおよび高純度水素を生成するのに、嫌気状態で分解された有機材料に依存し、化石燃料には依存しない。好ましい実施例では、本発明のシステムは標準的な水素生成プラントが生成する水素よりも高い純度の水素を生成する。

次に図１を詳細に参照すると、ここには本発明のメタンおよび／または高純度水素生成システムの好ましい実施例の方法フロー略図が示されており、全体が番号１０で示されている。この実施例では有機物質、例えばプラント材料、動物の排泄物、食品廃棄物または人の排泄物が嫌気性分解器１４へ送られる。反応溶液を形成するために分解器１４には嫌気性微生物が添加される。微量の不純物、例えば硫化水素、窒素および酸素と共に、主にメタンおよび二酸化炭素を含むバイオガス、または混合ガスストリームを形成する間、約３日〜２１日の分解期間が認められる。当業者であれば容易に理解できるように、この分解期間の長さは処理される有機物質１２のタイプおよび分解器１４の構造に応じて決まる。

バイオガスまたは混合ガスストリーム部分はガス被動エンジン１６、１８へ送られ、これらエンジン１６、１８はそれぞれ発電機２０および低圧圧縮機２２へ動力を供給する。

より好ましい実施例では、ガス被動エンジン１６、１８には、（１）インライン硫化水素フィルタおよび（２）水ジャケット排出マニホールドが設けられる。水ジャケット排出マニホールドは排出システムを通して排出する前に排気ガスを冷却し、かつ入口ライン２４、２８および出口ライン２６、３０によりマニホールドを通過するバイオガスを加熱し、分解器１４へ熱を供給するように働く。

発電機２０は水素生成除去システム３２および／または混合ガス精製装置３４のために特定の公称電圧および一定または可変の周波数で電気エネルギーを発生する。システム１０を電気的に自給できるようにするために、発電機２０と共にバッテリーを使用してもよい。

分解器１４で生成されるバイオガスまたは混合ガスストリーム部分は低圧圧縮機２２へも送られ、この低圧圧縮機は水素生成除去システム３２または混合ガス精製装置３４の作動圧力を超える圧力までガスを圧縮する。好ましい実施例では、ガスは約２.１７メガパスカル（ＭＰａ）、より好ましくは約２.８６ＭＰａまでの圧力に圧縮される。

圧縮機２２を離間する際に、圧縮されたバイオガスは水素生成除去システム３２、および／または混合ガス精製装置３４へ送られる。

水素生成除去システム３２は、基本的には、（ａ）圧縮された混合ガスストリームから水素濃度の高いガスを生成するための手段と、（ｂ）水素濃度の高いガスから水素を選択的に除去し、高純度の水素生成物ストリームを生成するための手段とを含む。

水素濃度の高いガス生成手段はスチーム改質、水−ガスシフト反応、メタノール合成および触媒燃焼を含む（これらに限定されるものではない）水素と炭化水素変換反応を使用する。これら反応は通常、２００℃〜１０００℃の間の温度で実行される。現在、これらの反応は広い表面積のセラミックペレットにデポジットされた活性触媒金属または酸化金属から成る触媒ペレットを使って工業的に実施される。

好ましい実施例では、水素濃度が高いガス生成手段はスチーム改質およびシフト変換方法または技術を使用する。

スチーム改質の間、触媒（一般にはニッケル−銅−または貴金属をベースとする触媒）の上でスチームは炭化水素と反応し、主に水素、二酸化炭素および一酸化炭素を形成しながら、シフト変換中、一酸化炭素はスチームと反応し、二酸化炭素および更なる水素を生成する。より詳細に説明すれば、システム３２への進入時に混合ガスストリーム内で次の主な反応が生じる。

上記全反応は高度に吸熱的であり、通常、約６５０℃〜８７５℃までの範囲の高い触媒温度で実施される。かかる高温は一般にスチーム改質器内の改質炉に組み込まれたバーナーからの燃焼熱によって発生される。

より好ましい実施例では、水素濃度の高いガスを生成する手段が更に混合ガスストリーム進入システム３２から硫化水素を除去し、下流ストリーム改質触媒およびその他の触媒の寿命を最大にするフィードストック精製を使用する。当業者であれば周知のように、硫化水素は従来の硫化水素スクラバーまたは吸収剤、例えば活性炭、酸化亜鉛およびそれらの混合物を使って除去できる。

高純度水素生成物ストリームを生成するために水素濃度の高いガスストリームから水素を選択的に除去するための手段は、限定されない。ガスストリームは必要な水素の純度を得るために多数の方法で処理できる。例えばスクラバーの次に乾燥および低温精製により、ＣＯ_２を除去できる。これとは異なり、ガスストリームを精製するのに、圧力スイング吸収（ＰＳＡ）ユニットまたは混合ガスストリームから水素を除去するための１つ以上のガス抽出膜を使用する装置を使用してもよい。

好ましい実施例は水素濃度の高いガスから水素を選択的に除去するための手段は水素透過性膜を使用する。より詳細には、水素を抽出する半透過性膜と水素を生成する反応器とを１つのユニット内で組み合わせる膜反応器を使用する。

上記記載によれば、より好ましい実施例では、水素生成除去システム３２は、スチーム改質器および高温シフト／膜反応器（ＨＴＳ／ＭＲ）を含む。

上記のように、スチーム改質器は、次の反応により圧縮された混合ガスストリームから水素を生成するように働く。

スチーム改質器は基本的には改質触媒で満たされた複数のチューブと１つ以上のバーナーとを含む、１つ以上のスチーム改質炉と流体連通する１つ以上のスチームボイラーを含む。スチーム改質器を出た水素濃度の高いガスストリームは、ＨＴＳ／ＭＲに進入する前に、約３７０℃から約８５０℃までの温度に冷却される。水素濃度の高いガスストリームから回収された熱は、スチーム改質器に進入する圧縮された混合ガスストリームを予熱し、および／またはボイラー内のスチームを生成するのに使用されるプロセス水を予熱するために使用できる。

ＨＴＳ／ＭＲは、（１）次の水−ガスシフト発熱反応

により、スチーム改質器内で生成される一酸化炭素から水素を生成するように働くと共に、更に（２）水素濃度の高い混合ガスストリームから水素を選択的に除去するように働く。このようなより好ましい実施例では、図２に最良に示されるように、ＨＴＳ／ＭＲ３６はチャンバ３８と、混合ガスストリームをチャンバ３８に導入するための入口ポート４０と、混合ガスストリームと流体連通する外側表面およびチャンバ３８内に収納された膜チューブ４２を通過した高純度の水素生成物ストリームと流体連通する内側表面を有するチューブ状をした複数の水素ガス分離膜４２と、水−ガスシフト発熱反応を容易にするためのチャンバ３８（図示せず）内に設けられた触媒と、高純度の水素生成物ストリームを除去するための第１出口ポート４４と、排ガスストリームを除去するための第２出口ポート４６と、チャンバ３８から熱エネルギーを除去するためのオプションとしての冷却手段（図示せず）とから構成されている。かかるＨＴＳ／ＭＲは本明細書で参考例として援用するロバート・Ｅ・バクスバウム氏に付与された米国特許第6,461,408B2号に記載されている。

図２に示された膜チューブ４２は水素の分圧差で作動することが理解できよう。換言すれば、水素の要求量が増すにつれ、チューブ４２の外側での水素の分圧が低下し、より多くの水素がチューブ４２を通って流れるようにし、一方、水素要求量が低下するにつれ、チューブ４２の外側での水素の分圧が大きくなり、より少量の水素がチューブ４２を通るように流れる。これと対照的に、ＰＳＡシステムは負荷に敏感ではない。水素の出力要求量が変化するにつれ、水素純度を維持するためにＰＳＡベッド時間を調節しなければならない。ＰＳＡシステムに対する一般的なランプ比は毎分約０.５〜２.０％の範囲であるが、チューブ４２に対するランプ比は瞬間的な値である。

ＨＴＳ／ＭＲ３６によって達成される方法は膜チューブの存在下で触媒と混合ガスストリームとを発熱反応させることを含む。スチーム改質反応と水−ガスシフト反応とは可逆的であり、熱力学的な平衡によって限定されることに留意すべきである。ＨＴＳ／ＭＲ３６内にチューブ４２を設けることにより、反応をより高い作動温度でほぼ完了させることができる。

好ましい水−ガスシフト触媒は、酸化鉄触媒である。

スチーム改質炉は出口ポート４６を通って水素生成除去システム３２を出る凝縮されたオフガスによって作動できる。更に改質炉を始動させ、作動中の炉に追加熱エネルギーを提供するために、嫌気性分解器１４からの混合ガスを使用できる。

水素生成専用となっているときの本発明のシステム１０は、９９.９９９９９％の純度で約１００〜約４５０キロパスカル（ｋＰａ）にて、約４０〜約２４００ｓｌｐｍの水素を生成する。水素生成除去システム３２から出る高純度の水素生成物ストリームは燃料電池、水素エンジンまたは標準的な発電所のベアリングを含む水素を燃料とする装置のための低圧（すなわち１００〜３１０ｋＰａ）の燃料として使用できる。
種々の製造プロセス、例えば光ファイバーケーブル、半導体、フロートガス、オイルの水素生成、金属処理または電子機器製造においても低圧の高純度の水素生成物ストリームを使用できる。

メタン生成物ストリームを生成するために、混合ガスストリームから硫化水素および／または二酸化炭素を除去するための混合ガス精製装置３４は限定されない。上記のように、従来の硫化水素スクラバーまたは吸収剤、例えば活性炭素、酸化亜鉛およびそれらの混合物を使って硫化水素を除去できるが、他方、例えば膜ガス分離技術を使って二酸化炭素を除去できる。膜ガス分離は選択的膜を通るガス成分の透過レートの差に基づくものであり、選択された膜材料（例えば酢酸セルロース、ポリスルホンおよびポリイミド膜およびフィルム、またはフッ素化ポリマーから製造された膜）は、窒素、二酸化炭素および硫化水素などの他のガスに対して、より透過性が高い。

メタン生成専用のときの本発明のシステム１０は９０％よりも高い純度および約１.８２〜約２.８６ＭＰａで、約４０〜２４００ｓｌｐｍのメタンを生成する。混合ガス精製装置３４を出るメタン生成物ストリームは、圧縮された天然ガス（ＣＮＧ）のための自動車エンジニア協会（ＳＡＥ）規格を満たし、天然ガスエンジンおよびパイプライン天然ガスを使用するその他の任意の装置のための燃料のような低圧用途に使用できる。

更に別の、より好ましい実施例では、図３に最良に示されるように、本発明のメタンおよび／または高純度水素生成システム１０は、（１）嫌気性分解器１４と流体連通し、更にオプションで、生成されたガスストリーム内に含まれる任意の水の少なくとも一部を除去するための水素生成除去システム３２（図示せず）と流体連通する少なくとも１つの凝縮器４８と、（２）高純度の水素生成物ストリームの低圧の水素を燃料にする装置５２へ高純度の水素生成物ストリームを送るための手段５０と、（３）嫌気性分解器１４と流体連通し、更に水素生成除去システム３２および／または混合ガス精製装置３４と流体連通し、更に、例えばパイプラインおよび／または貯蔵装置と流体連通する高圧の混合ガス被動圧縮機５４と、（４）更に圧縮されたメタン生成物ストリームを、例えばボトリングステーション５８および／または天然ガスストリーム６０へ送るための手段５６と、（５）圧縮された高純度の水素生成物ストリームを、例えば１つ以上のガスシリンダーおよび／またはチューブトレーラー６４へ送るための手段６２とを含むことができる。

凝縮器４８内、および水素生成除去システム３２と流体連通する可能な第２凝縮器内に収集された水を、スチーム改質ボイラーのための給水に加えることができる。

ガス被動エンジン６６によって動力が供給される圧縮機５４は、高圧用途のためにガスを更に圧縮するように働く。好ましい実施例では、高純度水素ガスは２０.８ＭＰａ以上の圧力（より好ましくは約３４.５〜約６９.０ＭＰａの圧力）まで圧縮され、次に、たとえば貯蔵のためにチューブトレーラーまたは車両用の水素充填ステーションへ送られる。最高純度のガス製造プロセスでは、これまでガスを貯蔵し、ガスを標準ガスシリンダー内に貯蔵し、シリンダーからガスを供給していたことに留意されたい。これらガスシリンダーの貯蔵容量、重量は、限られており、使いにくいという性質のために、業界はあまり頻繁に交換する必要のない、（通常、個々のガスシリンダーのように、時間ではなく、月単位で測定される）大容積のコンテナでガスを供給し始めることを余儀なくされている。好ましいタイプの大容積コンテナとは、チューブトレーラー、すなわち共通マニホールドを通して相互接続されるか、または作動する多数の大容量の高圧容器またはチューブによって製造されるセミトレーラーのことである。

次に図４を参照すると、本発明のシステムの第１の最も好ましい実施例が示されており、全体が番号６８で示されている。この第１の最も好ましい実施例では、システム６８は、
１）嫌気性分解器７０と、
２）（ａ）スチーム改質器（図示せず）および（ｂ）高温シフト／膜反応器（図示せず）を含む水素生成除去システム７２と、
３）嫌気性分解器７０と流体連通し、更に水素生成除去システム７２と流体連通する第１および第２混合ガス被動圧縮機７４、７６と、
４）嫌気性分解器７０と流体連通し、水素生成除去システム７２と電気的に接続された混合ガス被動発電機７８と、
５）分解器７０が生成する混合ガスストリーム内に含まれる水の少なくとも一部を除去するための嫌気性分解器７０と流体連通する、オプションとしての凝縮器８０と、
６）水素生成除去システム７２を出る高純度水素生成物ストリームを低圧水素燃料装置８４へ送るための手段８２と、
７）第２圧縮機７６を出る高純度水素生成物ストリームを１つ以上のガスシリンダーおよび／またはチューブトレーラー８８へ送るための手段８６とを含む。

作動時に分解器７０からの混合ガスは、まずガス被動エンジン９０、９２へ送られる。これらエンジン９０、９２は、それぞれ第１圧縮機７４および発電機７８に動力を供給する。第１圧縮機７４および発電機７８が一旦作動状態となると、これらはオンライン状態とされる。分解器７０からの混合ガスはスチーム改質器（すなわち１つ以上の混合ガス燃焼改質炉および１つ以上のスチームボイラー）へ送られ、この間、ボイラーには工程用水が供給される。スチーム改質器が所定温度に達すると、水素生成除去システム７２は、オンライン状態となり、水素の生成が開始される。分解器７０からの混合ガスは次に第２圧縮機７６へ動力を供給するためのガス被動エンジン９４へ送られる。一旦十分な水素流量（すなわち２５〜３０％の定格出力）に達すると、第２圧縮機７６がオンライン状態とされる。上記のように、システム７２によって生成される低圧水素を低圧水素燃料装置８４に送りながら、高圧水素を１つ以上のガスシリンダーおよび／またはチューブトレーラー８８へ送ることができる。

次に図５を参照すると、ここには本発明のシステムの第２の最も好ましい実施例が示されており、この実施例は全体が番号９６で示されている。この第２の最も好ましい実施例では、システム９６は、
１）嫌気性分解器９８と、
２）混合ガス精製装置１００と、
３）嫌気性分解器９８に流体連通し、混合ガス精製装置１００に流体連通する第１および第２混合ガス被動圧縮機１０２、１０４と、
４）嫌気性分解器９８に流体連通し、混合ガス精製装置１００と電気的に接続された混合ガス被動発電機１０６と、
５）第２圧縮機１０４を出たメタン生成物ストリームをボトリングステーション１１０および／または天然ガスパイプライン１１２に送るための手段１０８とを含む。

作動時に分解器９８からの混合ガスは、まずガス被動エンジン１１４、１１６へ送られる。これらエンジン１１４、１１６は、それぞれ第１圧縮機１０２および発電機１０６に動力を供給する。第１圧縮機１０２および発電機１０６が一旦作動状態となると、これらは混合ガス精製装置１００に沿ってオンライン状態とされる。次に、分解器９８からの混合ガスはガス被動エンジン１１８へ送られ、第２圧縮機１０４へ動力を供給する。一旦十分なメタンガス流量（すなわち２５〜３０％の定格出力）に達すると、第２圧縮機１０４がオンライン状態とされる。上記のように、メタンガスは例えばボトリングステーション１１０および／または天然ガスパイプライン１１２へ送ることができる。

本発明のメタンおよび／または高純度水素生成システム１０、６８、９６が使用する方法は、下記に記載のように要約できる。
１）内部に含まれるバクテリアおよび／または酵素により有機材料を嫌気状態で分解し、特にメタン、二酸化炭素および微量の不純物、例えば硫化水素、窒素および酸素を含む混合ガスストリームを生成し、
２）オプションとして混合ガスストリームの少なくとも一部を、内部に含まれる硫化水素ガスの少なくとも一部を除去するための手段へ送り、
３）ａ．水素生成除去システムおよび／または混合ガス精製装置に動力を供給するために、電気エネルギーを発生する発電機と、
ｂ．第１圧縮機と、
ｃ．（始動中および作動中の）１つ以上の混合ガス燃焼改質炉と、
ｄ．（始動中および作動中の）１つ以上のスチームボイラーと、
ｅ．オプションの第２圧縮機とに動力を供給するガス被動エンジンへオプションの凝縮した混合ガスストリームの部分を送り（混合ガスストリームはガス被動エンジンに燃料を供給するように働く）、
４）オプションの脱硫された混合ガスストリームの残りの部分を、ガスストリームを圧縮、すなわち加圧するための第１圧縮機へ送り、
５）オプションとして脱硫され、圧縮された混合ガスストリームを、不純物を除去するための混合ガス精製装置および／または（ａ）混合ガスストリームから水素濃度の高いガスを生成するための手段および（ｂ）水素濃度の高いガスから水素を選択的に除去し、高純度の水素生成物ストリームを生成するための手段を含む水素生成除去システムへ送り、
オプションとして凝縮され、圧縮された混合ガスストリームを不純物除去のための混合ガス精製装置へ送ると、オプションとして凝縮され、圧縮され、この結果精製された混合ガスストリームを第２圧縮機へ送り、ガスストリームを更に圧縮し、その後、ガスストリームを、例えば天然ガスパイプラインおよび／または貯蔵のためのシリンダーまたはチューブトレーラーへ送り、および／または出荷し、
オプションとして凝縮され、圧縮された混合ガスストリームが水素生成除去システムへ送られるときに、この結果生じる高純度水素生成物ストリームを１つ以上の水素燃料装置（例えば水素発電機）および／または高純度水素生成物ストリームを更に圧縮するための第２圧縮機へ送り、その後、生成物ストリームを、例えば貯蔵のためのシリンダーまたはチューブトレーラーへ送り、および／または出荷する。

以上で、本発明の詳細な実施例に関連して本発明について図示し、説明したが、当業者には本発明の要旨および範囲から逸脱することなく、本発明の形態および細部において種々の変更が可能であることは明らかとなろう。例えばバイオガスまたは混合ガスはコンポスト設備または同等設備でも生成でき、一方、ガス被動エンジンによって作動される圧縮機の代わりにモータ駆動圧縮機（例えばモータ駆動ダイヤフラムタイプの圧縮機）も使用できる。後者の実施例の場合、発電機２０、７８、１０６はモータ駆動圧縮機だけでなく、水素生成除去システム３２、７２および／または混合ガス精製装置３４および１００にも電力を供給することになる。

本発明のメタンおよび／または高純度水素生成システムの好ましい実施例の方法フロー略図である。 水素濃度の高い混合ガスストリームから水素を生成し、選択的に除去するための高温シフト／膜反応器の部分横断面図である。 本発明のメタンおよび／または高純度水素生成システムの更に好ましい実施例の方法フロー略図である。 本発明の高純度水素生成システムの最も好ましいシステムの方法フロー略図である。 本発明のメタン生成システムの最も好ましいシステムの方法フロー略図である。

符号の説明

１０ メタンおよび／または高純度水素生成システム
１２ 有機材料
１４ 嫌気性分解器
１６、１８ ガス被動エンジン
２０ 発電機
２２ 低圧圧縮機
２４、２８ 入口ライン
２６、３０ 出口ライン
３２ 水素生成除去システム
３４ 混合ガス精製装置

Claims (28)

1. （ａ）内部に含まれるバクテリアおよび／または酵素の作用により、有機材料を嫌気的に分解し、メタンと、二酸化炭素と、硫化水素、窒素および酸素を含む微量の不純物とを含み、更に少量の水も含むことができる、混合ガスストリームを生成するステップと、
   （ｂ）前記混合ガスストリーム内に含まれる水の少なくとも一部をオプションで除去するステップと、
   （ｃ）前記オプションで凝縮された混合ガスストリームを圧縮するステップと、
   （ｄ）（ｉ）前記圧縮された混合ガスストリームから硫化水素および／または二酸化炭素を除去することによりメタン生成物ストリームを生成し、および／または
   （ｉｉ）前記圧縮された混合ガスストリームから水素濃度の高いガスを生成し、次に水素濃度の高いガスから水素を選択的に除去することにより高純度水素生成物ストリームを生成するステップとを備えた、メタンおよび／または高純度水素を生成するための方法。
2. メタンガス生成専用となっている、請求項１記載のメタンおよび／または高純度水素を生成するための方法。
3. 高純度水素ガス生成専用となっている、請求項１記載のメタンおよび／または高純度水素を生成するための方法。
4. メタンガスおよび高純度水素ガスを生成するように働く、請求項１記載のメタンおよび／または高純度水素を生成するための方法。
5. 活性炭、酸化亜鉛およびそれらの混合物の群から選択された吸収剤を使用して、前記圧縮され、混合された混合ガスストリームから硫化水素を除去する、請求項２または４記載のメタンおよび／または高純度水素を生成するための方法。
6. 少なくとも１つの選択的な膜またはフィルムを使って前記圧縮された混合ガスストリームから二酸化炭素を除去し、前記選択的な膜またはフィルムを酢酸セルロース、ポリスルフォンおよびポリイミドの膜およびフィルム、ならびにフッ素化ポリマーから製造された膜の群から選択されたものである、請求項２または４記載のメタンおよび／または高純度水素を生成するための方法。
7. まず触媒の存在下でスチームと前記圧縮された混合ガスストリームとを反応させ、主成分として水素、二酸化炭素および一酸化炭素を含むガスを形成し、次にスチームと形成されたガス内の一酸化炭素とを反応させ、二酸化炭素および追加の水素を生成することにより、水素濃度の高いガスを生成する、請求項３または４記載のメタンおよび／または高純度水素を生成するための方法。
8. １つ以上の水素を透過する膜を使って、前記水素濃度の高いガスから水素を選択的に除去する、請求項７記載のメタンおよび／または高純度水素を生成するための方法。
9. スチーム改質器および高温シフト／膜反応器を使って高純度水素生成物ストリームを生成し、高温シフト／膜反応器が１つのユニット内に水素を生成する反応器と水素を抽出する少なくとも１つの水素透過性膜を含む、請求項３または４記載のメタンおよび／または高純度水素を生成するための方法。
10. （ａ）内部に含まれるバクテリアおよび／または酵素の作用により、有機材料を嫌気的に分解し、メタンと、二酸化炭素と、硫化水素、窒素および酸素を含む微量の不純物とを含み、更に少量の水も含むことができる、混合ガスストリームを生成するステップと、
    （ｂ）内部に含まれる水の少なくとも一部を除去するための手段へ混合ガスストリームのストリーム一部を送るオプションとしてのステップと、
    （ｃ）オプションとして凝縮された混合ガスストリームの一部を１つ以上のガス被動エンジンへ送り、これらエンジンの燃料を供給するステップとを備え、前記１つ以上のガス被動エンジンが発電機およびオプションとしての圧縮機へ動力を供給し、発電機が水素生成除去システムおよび／または混合ガス精製装置およびオプションとしての圧縮機へ給電するための電気エネルギーを発生するようになっており、
    （ｄ）ガスストリームを圧縮するための圧縮機へオプションとして凝縮された混合ガスストリームの残りの部分を送るステップと、
    （ｅ）（ｉ）圧縮された混合ガスストリームから硫化水素および／または二酸化炭素を除去し、メタン生成物ストリームを生成するよう働く混合ガス精製装置および／または
    （ｉｉ）圧縮された混合ガスストリームから水素濃度の高いガスを生成するための手段と、水素濃度の高いガスから水素を選択的に除去し、高純度の水素生成物ストリームを生成するための手段とを備えた、水素生成除去システムへ圧縮された混合ガスストリームを送るステップとを備えた、嫌気状態で分解された有機材料からメタンおよび／または高純度水素を生成するための、自給式流線型方法。
11. 前記１つ以上のガス被動エンジンが第１圧縮機、１つ以上の混合ガス燃焼改質炉、１つ以上のスチームボイラーおよびオプションとしての第２圧縮機へも動力を供給し、
    硫化水素および／または二酸化炭素を除去するための混合ガス精製装置へ圧縮された混合ガスストリームを送るときに、ガスストリームを更に圧縮するための第２圧縮機へ精製された混合ガスストリームを送り、更に圧縮されたガスストリームを天然ガスパイプラインおよび／または貯蔵容器へ送るステップを含み、
    圧縮された混合ガスストリームを水素生成除去システムへ送るときに、上記精製の結果得られた高純度水素生成物ストリームを１つ以上の水素を燃料とする装置および／または高純度水素生成物ストリームを更に圧縮するための第２圧縮機へ送り、その後、水素生成物を貯蔵する、請求項１０記載の自給式流線型方法。
12. （ａ）内部に含まれるバクテリアおよび／または酵素の作用により、有機材料を嫌気状態で分解し、メタンと、二酸化炭素と、硫化水素、窒素ならびに酸素を含む微量の不純物とを生成する嫌気性分解器と、
    （ｂ）前記嫌気性分解器と流体連通し、更に水素生成除去システムおよび／または混合ガス精製装置と流体連通する少なくとも１つの圧縮機と、
    （ｃ）前記嫌気性分解器と流体連通すると共に、水素生成除去システムおよび／または混合ガス精製装置と電気的に接続され、更にオプションとして圧縮機と電気的に接続された少なくとも１つの混合ガス被動発電機とを備え、
    （ｄ）（ｉ）前記混合ガス精製装置は混合ガスストリームから硫化水素および／または二酸化炭素を除去し、メタン生成物ストリームを生成するように働き、更に混合ガス精製装置は圧縮機と流体連通し、発電機と電気的に接続しており、および／または
    （ｉｉ）前記水素生成除去システムが圧縮された混合ガスストリームから水素濃度の高いガスを生成するための手段と、高純度の水素生成物ストリームを生成するよう、水素濃度の高いガスから水素を選択的に除去するための手段とを備え、前記水素生成除去システムが所定の作動圧を有し、前記圧縮機と流体連通すると共に、前記発電機と電気的に接続されている、自給式流線型メタンおよび／または高純度水素発生システム。
13. 前記システムがメタンガス生成専用となっており、約１.８２〜約２.８６メガパスカルまでの範囲の圧力で毎分約４０〜約２４００の標準リットルのメタンガスを生成し、前記メタンガスが９０％よりも高いレベルの純度を有する、請求項１２記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
14. 前記システムが水素ガス生成専用となっており、約１００〜約４５０キロパスカルまでの範囲の圧力で毎分約４０〜約２４００の標準リットルの水素ガスを生成し、前記水素ガスが９９.９９９９９％よりも高いレベルの純度を有する、請求項１２記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
15. 前記システムはメタンガスと高純度水素ガスの双方を生成する、請求項１２記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
16. 前記少なくとも１つの圧縮機が、分解器からの混合ガスストリームを混合ガス精製装置の作動圧力を超える圧力まで圧縮する、請求項１３または１５記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
17. 前記少なくとも１つの圧縮機が、分解器からの混合ガスストリームを水素生成除去システムの作動圧力を超える圧力まで圧縮する、請求項１４または１５記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
18. 前記少なくとも１つの圧縮機が、分解器からの混合ガスストリームを２.１７メガパスカル以上の圧力まで圧縮する、請求項１７記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
19. 前記少なくとも１つの圧縮機が、混合ガスストリームを２.８６メガパスカル以上の圧力まで圧縮する、請求項１８記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
20. 混合ガス精製装置が圧縮された混合ガスストリームから硫化水素を除去するように働く活性炭、酸化亜鉛およびそれらの混合物の群から選択された吸収剤を含む、請求項１３または１５記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
21. 混合ガス精製装置が圧縮された混合ガスストリームから二酸化炭素を除去するように働く少なくとも１つの選択的な膜またはフィルムを備え、前記選択的な膜またはフィルムが酢酸セルロース、ポリスルフォンおよびポリイミド膜およびフィルム、ならびにフッ素化ポリマーから製造された膜の群から選択されたものである、請求項１３または１５記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
22. 圧縮された混合ガスストリームから水素濃度の高いガスを生成するための手段が、スチーム改質器と高温シフト反応器とを含む、請求項１４または１５記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
23. 水素濃度の高いガスを生成するための手段が更に水素生成除去システムに進入する圧縮された混合ガスストリームから硫化水素を除去するための手段を更に含む、請求項２２記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
24. 水素濃度の高いガスから水素を選択的に除去するための手段が、１つ以上の水素透過性膜を含む、請求項１４または１５記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
25. 水素生成除去システムはスチーム改質器と高温シフト／膜反応器とを含み、前記シフト／膜反応器が１つのユニット内に水素を生成する反応器と水素を抽出する少なくとも１つの水素透過性膜とを含む、請求項１４または１５記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
26. 高温シフト／膜反応器がチャンバと、圧縮された混合ガスストリームを前記チャンバに導入するための入口ポートと、圧縮混合ガスストリームと流体連通する外側表面および前記チャンバ内に収納されたチューブを通過する水素生成物ストリームと流体連通する内側表面を有する、チューブの形態をした複数の水素透過性膜と、水−ガスシフト発熱反応を促進するためのチャンバ内に設けられた触媒と、水素生成物ストリームを除去するための第１出口ポートと、排出ガスストリームを除去するための第２出口ポートと、チャンバから熱エネルギーを除去するためのオプションとしての冷却手段とを備えた、請求項２５記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
27. 高純度水素ガス生成専用であって、
    （ａ）内部に含まれるバクテリアおよび／または酵素の作用により、有機物質を嫌気的に分解し、メタンと、二酸化炭素と、硫化水素、窒素ならびに酸素を含む微量の不純物とを含み、更に少量の水も含むことができる混合ガスストリームを生成するための嫌気性分解器と、
    （ｂ）前記嫌気性分解器と流体連通すると共に、所定の作動圧力を有する水素生成除去システムと更に流体連通する第１および第２混合ガス被動圧縮機とを備え、前記第１混合ガス被動圧縮機が、分解器からの混合ガスストリームを水素生成除去システムの作動圧を超える圧力まで圧縮し、前記第２混合ガス被動圧縮機が水素生成除去システムからの高純度水素生成物ストリームを２０.８メガパスカル以上の圧力まで圧縮するようになっており、
    （ｃ）前記水素生成除去システムがスチーム改質器と高温シフト／膜反応器とを含み、前記水素生成除去システムが第１混合ガス被動圧縮機を出る圧縮された混合ガスストリームから水素濃度の高いガスを生成すると共に、生成された水素濃度の高いガスから水素を選択的に除去し、高純度の水素生成物ストリームを生成するようになっており、
    （ｄ）更に嫌気性分解器と流体連通すると共に水素生成除去システムと電気的に接続され、該水素生成除去システムに電力を供給するための混合ガス被動発電機と、
    （ｅ）前記分解器が生成した混合ガスストリーム内に含まれる水の少なくとも一部を除去するように、前記嫌気性分解器と流体連通しているオプションとしての凝縮器と、
    （ｆ）前記水素生成除去システムを出る高純度の水素生成物ストリームを低圧の水素を燃料とする装置に送るための手段と、
    （ｇ）第２圧縮機を出る高純度水素生成物ストリームと１つ以上の高圧貯蔵容器に送るための手段とを備えた、請求項１２記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。
28. メタンガス生成専用であって、
    （ａ）内部に含まれるバクテリアおよび／または酵素の作用により、有機物質を嫌気的に分解し、メタンと、二酸化炭素と、硫化水素、窒素ならびに酸素を含む微量の不純物とを含み、更に少量の水も含むことができる混合ガスストリームを生成するための嫌気性分解器と、
    （ｂ）前記嫌気性分解器と流体連通すると共に、所定の作動圧を有する混合ガス精製装置と更に流体連通する第１および第２混合ガス被動圧縮機とを備え、前記第１ガス被動圧縮機が分解器からの混合ガスストリームを混合ガス精製装置の作動圧を超える圧力まで圧縮し、前記第２混合ガス被動圧縮機が混合ガス精製装置からのメタン生成物ストリームを２０.８メガパスカル以上の圧力まで圧縮するようになっており、
    （ｃ）前記混合ガス精製装置が第１混合ガス被動圧縮機を出る混合ガスストリームから硫化水素および／または二酸化炭素を除去し、メタンガス生成物ストリームを生成するように働き、
    （ｄ）更に前記嫌気性分解器と流体連通すると共に、混合ガス精製装置に電気的に接続され、前記混合ガス精製装置に給電する混合ガス被動発電機と、
    （ｅ）前記嫌気性分解器と流体連通し、該分解器が生成する混合ガスストリーム内に含まれる水の少なくとも一部を除去するためのオプションとしての凝縮器と、
    （ｆ）第２圧縮機を出るメタンガス生成物ストリームをボトリングステーションおよび／または天然ガスパイプラインへ送るための手段とを備えた、請求項１２記載の自給式流線型メタンおよび／または高純度水素生成システム。

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