JP2007023214A - バイオマスガス化方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 バイオマスをメタン発酵することにより燃料ガスをより効率的に生成することができるバイオマスガス化方法及びバイオマスガス化システムを提供すること。
【解決手段】 加圧熱水処理装置に、非金属系触媒の存在下において、バイオマスを１００〜２５０℃の範囲内の温度、及び０．１〜４ＭＰａの範囲内の圧力の条件下で熱水処理を行わせ、得られた前記非金属系触媒を含む前記バイオマスのスラリー体をメタン発酵装置でメタン発酵することにより、燃料ガスをより効率的に生成することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非金属系触媒を用いてあらかじめ熱水処理したバイオマスのスラリー体をメタン発酵することにより燃料ガスを生成するバイオマスガス化方法及びバイオマスガス化システムに関する。

近年、植物又はその廃材、家畜糞尿、生ゴミ、食品廃棄物、下水汚泥などのバイオマスを原料としたエネルギー変換技術の開発がなされている。バイオマスを原料としたエネルギー変換技術としては、例えば、微生物によりバイオマスをメタン発酵させて燃料ガスを生成する技術（特許文献１及び２参照）などが知られている。
特開２００４−２４９２４７号公報 特開２００４−３２９０６８号公報

しかしながら、これまで知られているバイオマスをメタン発酵させて燃料ガスを生成する技術は、燃料ガスの生成効率の面で必ずしも満足できるものではなく、バイオマスから燃料ガスをより効率的に生成することができる技術の開発が求められている。

そこで、本発明は、バイオマスをメタン発酵することにより燃料ガスをより効率的に生成することができるバイオマスガス化方法及びバイオマスガス化システムを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意努力した結果、メタン発酵する前に活性炭を用いてバイオマスをあらかじめ熱水処理することにより、メタンガスの生成速度、すなわちバイオマスのガス化効率を高めることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係る、バイオマスから燃料ガスを生成するバイオマスガス化方法は、非金属系触媒の存在下において、前記バイオマスを１００〜２５０℃の範囲内の温度、及び０．１〜４ＭＰａの範囲内の圧力の条件下で熱水処理する熱水処理工程と、前記熱水処理工程により得られた、前記非金属系触媒を含む前記バイオマスのスラリー体をメタン発酵する発酵工程と、を含む。

また、本発明に係る、バイオマスから燃料ガスを生成するバイオマスガス化システムは、非金属系触媒の存在下において、前記バイオマスを１００〜２５０℃の範囲内の温度、及び０．１〜４ＭＰａの範囲内の圧力の条件下で熱水処理する加圧熱水処理装置と、前記加圧熱水処理装置において熱水処理することにより得られた、前記非金属系触媒を含む前記バイオマスのスラリー体をメタン発酵するメタン発酵装置と、を含んで構成される。

上述の熱水処理は、所定の圧力（０．１〜４ＭＰａの範囲内）及び当該圧力における水の飽和温度の条件下で行うことが好ましい。上述の非金属系触媒としては、例えば、活性炭などを用いることができる。前記活性炭は、粉末状であって、その平均粒径が２００μｍ以下であるものが好ましい。

本発明によれば、バイオマスをメタン発酵することにより燃料ガスをより効率的に生成することができるバイオマスガス化方法及びバイオマスガス化システムを提供することができる。本発明により得られた燃料ガスは、発電等の燃料として用いることができるので、石炭、石油等の化石燃料の省資源化を図ることが可能になる。

以下、好ましい実施の形態につき、添付図面を用いて詳細に説明する。

＝＝バイオマスガス化システムの構成＝＝
図１は本発明の一実施例として説明するバイオマスガス化システムの構成図を示す。
図１に示すように、本発明に係るバイオマスガス化システム１００は、破砕機１０、加圧熱水処理装置２０、メタン発酵装置３０などを備えている。

破砕機１０はバイオマスを破砕する装置である。加圧熱水処理装置２０は、破砕機１０によって破砕されたバイオマスを、非金属系触媒を利用して、１００〜２５０℃の範囲内の温度、及び０．１〜４ＭＰａの範囲内の圧力の条件下で熱水処理し、バイオマスのスラリー体を形成させる装置である。

メタン発酵装置３０は、加圧熱水処理装置２０において熱水処理することにより得られた、非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体を嫌気的条件下でメタン発酵し、燃料ガスを生成する装置である。メタン発酵装置３０としては、例えば、単相式メタン発酵装置、酸生成槽とメタン生成槽とを備える二相式メタン発酵装置、上向流嫌気性汚泥床（ＵＡＳＢ：Upflow Anaerobic Sludge Blanket Process）型メタン発酵装置、嫌気性固定床型メタン発酵装置、嫌気性流動床型メタン発酵装置、乾式メタン発酵装置などを用いることができる。

以上のように、メタン発酵装置３０を備えたバイオマスガス化システム１００に加圧熱水処理装置２０を設けることにより、バイオマスのメタン発酵が効率的に行われ、バイオマスからメタンを効率よく生成することができるようになる。

＝＝バイオマスガス化方法＝＝＝
次に、本実施の一形態として、バイオマスから燃料ガスを生成する方法について説明する。

まず、破砕機１０により破砕したバイオマスを加圧熱水処理装置２０に供給する。加圧熱水処理装置２０に供給されたバイオマスは、非金属系触媒の存在下で、所定の圧力及び所定の条件下で熱水処理される。なお、熱水処理は、バイオマスに含まれる水を利用して行ってもよいが、破砕機１０において添加された、酸素を含まない水を利用して行ってもよいし、酸素を含まない水を別途供給して行ってもよい。また、熱水処理において使用される非金属系触媒は、破砕機１０によって破砕されたバイオマスとともに加圧熱水処理装置２０に供給されることとしてもよいが、バイオマスとは別に加圧熱水処理装置２０に供給されることとしてもよい。

上述の熱水処理の条件としては、１００〜２５０℃の範囲内の温度であって、０．１〜４ＭＰａの範囲内の圧力下であれば特に制限されるものではないが、後述の実施例によりバイオマスの高分子から低分子への分解が、バイオマスのメタン発酵によるガス化効率を向上させるものと考えられることから、バイオマスの分解を効率的に行うことができる条件、例えば、上述の範囲内の圧力及びその圧力下における水の飽和温度であることが好ましく、さらに省エネルギーの観点から、１８０℃（好ましくは１７９．８℃）の温度及び１．０ＭＰａの圧力下であることが特に好ましい。なお、熱水処理を１００℃〜２５０℃の範囲内の温度で行うこととしたのは、１００℃未満ではバイオマスの分解反応率が低く、２５０℃を超えるとタールやチャーが発生して微生物に悪影響を与えるのではないかと考えられたからである。また、熱水処理を０．１〜４ＭＰａの範囲内の圧力で行うこととしたのは、０．１ＭＰａ未満ではバイオマスの分解反応率が低く、４ＭＰａを超えても分解反応に与える影響はそれ程変化しないのではないかと考えられたためである。

なお、熱水処理に用いられる非金属系触媒としては、活性炭、又は活性炭に類似の性質を有するゼオライトなどを挙げることができる。また、前記非金属系触媒としては、平均粒径２００μｍ以下の粉末を用いることが好ましく、多孔質であることがより好ましい。これにより、表面積を増やして熱水処理の反応効率を高めることができる。

上述のようにして得られた、非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体は、加圧熱水処理装置２０からメタン発酵装置３０に供給され、メタン発酵装置３０においてメタン発酵菌によりメタン発酵される。これにより、バイオマスのスラリー体から水素ガス、メタン等の燃料ガスを得ることができる。なお、前記メタン発酵は、酸生成菌により処理した後、メタン発酵菌（メタン生成菌）により行うこととしてもよいが、酸生成菌とメタン発酵菌とを含む混合菌により行うこととしてもよい。なお、酸生成菌及びメタン発酵菌としては、公知の菌を用いることができる。また、酸生成菌及びメタン発酵菌での処理は、それぞれの菌の生存に適した温度及びpHで行うことができる。

以上のように、メタン発酵する前に非金属系触媒の存在下においてバイオマスをあらかじめ熱水処理することにより、バイオマスのメタン発酵が効率的に行われ、バイオマスからメタンを効率よく生成することができるようになる。

なお、上述のように生成された燃料ガスは、二酸化炭素等のガスとともにメタン発酵装置３０から排出されるので、公知のガス分離技術を用いてガス成分を分離することとしてもよい。これにより、純度の高い各成分のガスを得ることができるようになる。

以下に本発明を実施例によって具体的に説明する。なお、これらの実施例は本発明を説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

生ごみ及び食品廃棄物の湿潤バイオマスをミキサーで破砕し、得られた余剰汚泥１．６５ｋｇを表１に示す条件下でそれぞれ熱水処理した。なお、触媒としての活性炭、ＭｎＯ_２、及びＺｒＯ_２は平均粒径が２００μｍ以下であって粉末状のものを用いた。

［表１］

200 ｍLのバイアルに酸生成菌及びメタン発酵菌を含む種汚泥（嫌気消化後の生汚泥；広島市西部浄化センターから供与）を加えた後、上述の熱水処理した各余剰汚泥サンプル、又は、未処理の余剰汚泥サンプル（未処理汚泥）を、最終濃度（体積）で3, 5, 10％となるようにバイアルにさらに加え、pHを7.0に調整して全量100 mLとした。また、熱水処理した各余剰汚泥サンプル及び未処理の余剰汚泥を添加しないもの（種汚泥のみ）も準備した。その後、各バイアルの容器内を窒素置換し、嫌気的条件下において52℃で培養を行い、ガス発生量及びガス中のメタン濃度を測定した。なお、ガス中のメタン濃度はガスクロマトグラフィーにより測定し、ガス発生量は種汚泥のみのガス発生量をブランクとして各バイアルから発生した総ガス発生量から差し引くことにより求めた。3, 5, 10％の余剰汚泥をメタン発酵させた際に発生したガス量及びガス中のメタン濃度を調べた結果をそれぞれ図２〜４にそれぞれ示す。

図２〜４に示すように、No.4は未処理汚泥や他の条件下で熱水処理したサンプル（No.1〜3、No.5、及びNo.6）に比べてメタンガスの生成速度が最も高く、その差は余剰汚泥の濃度が高い時（10％）に顕著にみられた。このことから、余剰汚泥をメタン発酵する場合には、活性炭を用いて余剰汚泥をあらかじめ熱水処理することが有効であり、これによってメタンガスの生成速度、すなわちバイオマスのガス化効率を高めることができることがわかった。また、バイオマスのガス化効率の向上は、活性炭を触媒として用いた熱水処理によりバイオマスが高分子から低分子に分解され、メタン発酵菌によるメタン発酵が効率よく行われたことによるものであることが示唆された。

本発明の一実施形態として説明するバイオマスガス化システムの構成を示す図である。 本発明の一実施例において、3％の余剰汚泥をメタン発酵させた際に得られたガスの発生量及びガス中のメタン濃度を調べた結果を示す図である。 本発明の一実施例において、5％の余剰汚泥をメタン発酵させた際に得られたガスの発生量及びガス中のメタン濃度を調べた結果を示す図である。 本発明の一実施例において、10％の余剰汚泥をメタン発酵させた際に得られたガスの発生量及びガス中のメタン濃度を調べた結果を示す図である。

符号の説明

１０ 破砕機
２０ 加圧熱水処理装置
３０ メタン発酵装置
１００ バイオマスガス化システム

Claims (8)

1. バイオマスから燃料ガスを生成するバイオマスガス化方法において、
   非金属系触媒の存在下において、前記バイオマスを１００〜２５０℃の範囲内の温度、及び０．１〜４ＭＰａの範囲内の圧力の条件下で熱水処理する熱水処理工程と、
   前記熱水処理工程により得られた、前記非金属系触媒を含む前記バイオマスのスラリー体をメタン発酵する発酵工程と、
   を含むことを特徴とするバイオマスガス化方法。
2. 所定の圧力及び当該圧力における水の飽和温度の条件下で熱水処理することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記非金属系触媒が、活性炭であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記活性炭が、平均粒径２００μｍ以下の粉末であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. バイオマスから燃料ガスを生成するバイオマスガス化システムにおいて、
   非金属系触媒の存在下において、前記バイオマスを１００〜２５０℃の範囲内の温度、及び０．１〜４ＭＰａの範囲内の圧力の条件下で熱水処理する加圧熱水処理装置と、
   前記加圧熱水処理装置において熱水処理することにより得られた、前記非金属系触媒を含む前記バイオマスのスラリー体をメタン発酵するメタン発酵装置と、
   を含むことを特徴とするバイオマスガス化システム。
6. 前記加圧熱水処理装置での熱水処理を、所定の圧力及び当該圧力における水の飽和温度の条件下で行うことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記非金属系触媒が、活性炭であることを特徴とする請求項５又は６に記載のシステム。
8. 前記活性炭が、平均粒径２００μｍ以下の粉末であることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
   
   

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