JP2007254572A - メタン濃縮システム及びその運用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単位膜面積当たりの処理能力が従来よりも大きく、２段目以降に再昇圧や減圧などの圧力操作を必要とせず、混合ガスから高濃度のメタンと二酸化炭素を回収できるメタン濃縮技術を提供する。
【解決手段】二酸化炭素の透過膜を複数段組み合せ、二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスから二酸化炭素を分離してメタンを濃縮するシステムであり、前段の透過膜１１の非透過ガスを、後段の透過膜１２の入口に導き、さらに二酸化炭素を分離して高濃度のメタンを得る。透過膜を複数段設けることにより、各段で二酸化炭素が分離されてガスの組成と流量が変わってゆくことに対応し、各段の入口ガス流量に適する膜面積を設定することで、高濃度メタンと高濃度二酸化炭素を同時に回収できるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスから高濃度のメタンを回収するシステムと、その運用方法に関するものである。

廃棄物からエネルギーを回収する方法の一環として、下水汚泥、畜糞、生ゴミなどの嫌気性消化により発生する消化ガスを原料として、メタンガスを取り出す技術が開発されている。嫌気性消化ガスは主としてメタンと二酸化炭素との混合ガスであり、その含有比率はほぼ６：４である。このためメタンとともに二酸化炭素も分離回収することができれば、大気中の二酸化炭素を削減する効果も期待できる。

消化ガス中からメタンと二酸化炭素とを分離回収する方法としては、化学吸収法、物理吸収法、SPA法、ガス分離法などが提案されているが、これらの分離操作のうち、ガス分離膜を使用した分離法が、他の分離法に比較してシステムを簡単に構成できること、装置が比較的小規模で実現可能であるという点において有利である。

ガス分離膜を使用して混合ガスからメタンを濃縮して取り出す技術に関しては、既に多くの特許出願がなされており、その代表的なシステムが特許文献１に開示されている。このシステムの要部は図１に示すように、二酸化炭素の分離膜を２段に接続し、１段目の分離膜１で混合ガス中の二酸化炭素を透過させて非透過側から濃縮されたメタンガスを取り出し、透過した二酸化炭素濃度の高いガスを２段目の分離膜２に送ってその透過側から更に二酸化炭素を濃縮して取り出すとともに、非透過側ガスを１段目の分離膜１の入口に返送するように構成したものである。

しかしこのシステムは、コンプレッサ３で加圧した混合ガスを１段目の分離膜１に供給して高濃度メタンを回収し、分離膜１の透過ガスを２段目の分離膜２に供給するため、１段目の分離膜１で圧力の低下した透過ガスをコンプレッサ４で再昇圧したうえで２段目の分離膜２に供給するか、２段目の分離膜２の透過側を真空ポンプ５で減圧するなどの追加的な圧力操作が必要となる。このため省エネルギー的なシステムとは言い難いうえ、高濃度メタンと高濃度二酸化炭素を同時に回収するためには大きな膜面積（１段目と２段目の合計膜面積）を要するという問題があった。
特開２００１‐９４９号公報

本発明は上記した従来の問題点を解決し、単位膜面積当たりの処理能力が従来よりも大きく、また２段目以降に再昇圧や減圧などの圧力操作を必要とせず、しかも混合ガスから高濃度のメタンと二酸化炭素とを分離回収できるメタン濃縮技術を提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスから二酸化炭素を分離してメタンを濃縮するシステムであって、二酸化炭素の透過膜を複数段組み合せて前段の透過膜の非透過ガスを後段の透過膜の入口に導くことを特徴とするものである。なお、透過膜２段で構成されるシステムにおいては、後段における入口ガス流量に対する膜面積を大きくすることが好ましい。更に、２段目以降の透過膜の透過ガスを、当該透過膜より前段の透過膜の上流側に還流させるラインを備えた構成とすることが好ましく、二酸化炭素の透過膜がDDR型ゼオライト膜であることが好ましい。

また上記したメタン濃縮システムの運用に際しては、二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスとして、下水汚泥、畜糞、生ゴミのいずれかから発生するバイオガスを使用することができる。また、濃縮されたメタンガスを燃料または原料として使用することができ、分離された二酸化炭素を液化炭酸ガスまたは中和処理剤として使用することができる。

本発明のメタン濃縮システムによれば、１段目の透過膜に加圧された混合ガスを供給し、その透過側から高濃度の二酸化炭素を回収し、それによって二酸化炭素濃度の低下した非透過ガスを加圧状態のまま後段の透過膜に導き、さらに二酸化炭素を透過させることによって高濃度のメタンガスを回収する。このため、２段目以降で再昇圧や減圧などの圧力操作を必要とせず、省エネルギー的なシステムとなる。また、透過膜を複数段設けたことにより、各段で二酸化炭素が分離されてガスの組成と流量が変わってゆくことに対応し、各段の入口ガス組成及び流量に適する膜面積を設定できる。これにより後記するデータのとおり、本発明のメタン濃縮システムは従来システムに比較して単位膜面積あたりの処理能力が大きく、処理量が同一であれば膜面積を大幅に削減することができる。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図２は本発明の実施形態を示す図であり、この実施形態では二酸化炭素の透過膜が前後２段に接続されている。しかし透過膜の接続段数は３段以上とすることもできるので、ここでは前段の透過膜１１、後段の透過膜１２と呼ぶ。なお、各段の透過膜は並列に複数の膜を用いてもよい。二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスはコンプレッサ１３で所定圧力まで昇圧されたうえ、前段の透過膜１１の入口に供給される。二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスとしては、下水汚泥、畜糞、生ゴミのいずれかから発生するバイオガスを使用することができ、メタンと二酸化炭素との含有比率は例えば６：４である。

二酸化炭素の透過膜は分子径の差を利用して二酸化炭素とメタンを分離できる膜であり、好ましくはDDR型ゼオライト膜が用いられる。DDR型ゼオライト膜は、デカードデカシル‐３R型と呼ばれる珪素と酸素を組成とする合成ゼオライトの膜であり、出願人会社から市販されている。その細孔径は０．３〜０．５ｎｍであり、多孔質セラミックよりなる支持体上に成膜して使用される。この透過膜の膜分離性能は、ＣＯ_２／ＣＨ_４分離係数（ＣＯ_２の透過速度／ＣＨ_４の透過速度）で表わされ、実用的なDDR型ゼオライト膜の分離係数は５０〜２００程度である。この値から分るように、透過膜は二酸化炭素とメタンを完全に分離できる性能を持つものではなく、わずかながらメタンの一部も透過することとなる。なおこの程度のＣＯ_２／ＣＨ_４分離係数を持つ膜であれば、DDR型ゼオライト膜以外の透過膜も使用可能であることはいうまでもない。

この実施形態では、前段の透過膜１１と後段の透過膜１２はともにDDR型ゼオライト膜からなるものである。そして図２に示すように、入口ガス流量に対する膜面積が、前段の透過膜１１よりも後段の透過膜１２の方が大きくなるように構成されている。前段の透過膜１１の非透過ガスは、昇圧などの追加的な圧力操作を要することなくそのまま後段の透過膜１２の入口に導かれる。

このメタン濃縮システムにおいては、コンプレッサ１３で昇圧された混合ガスが前段の透過膜１１に供給されると、混合ガス中の二酸化炭素は透過膜１１を透過し、透過側から高濃度の二酸化炭素として回収される。図２中に記したように、メタンと二酸化炭素との含有比率が６：４である場合、濃度が９５％程度の純度の高い二酸化炭素を得ることができる。

このように混合ガス中の二酸化炭素が透過膜１１により分離された結果、非透過側の混合ガスは二酸化炭素濃度が低く、メタン濃度の高いガスとなる。この非透過側の混合ガスは加圧状態を維持したまま後段の透過膜１２の入口に導かれる。後段の透過膜１２は、その入口ガスの組成と流量に適した膜面積に設定されているため，混合ガス中の低濃度の二酸化炭素を効果的に透過させることができる。なお、この実施形態のように透過膜二段で構成されるシステムでは、後段の透過膜１２の入口ガス流量に対する膜面積は、前段の透過膜１１よりも大きく設定することが望ましい。この結果、後段の透過膜１２の非透過側のガス中の二酸化炭素濃度は十分に低くなり、高濃度のメタンガスとして回収することができる。

また後段の透過膜１２の透過側ガスは少量のメタンガスを含む二酸化炭素であるから、循環ライン１４を介して前段の透過膜１１の上流側に還流させ、前段の透過膜１１で二酸化炭素として回収する。このように本発明のシステムによれば、混合ガスから高濃度の二酸化炭素と高濃度のメタンガスとを、効率よく回収することができる。しかも前段の透過膜１１の非透過ガスを加圧状態のまま後段の透過膜１２の入口に導くので、２段目以降で再昇圧や減圧などの圧力操作を必要としない。また透過膜を複数段設けたことにより、各段で二酸化炭素が分離されてガスの組成と流量が変わってゆくことに対応し、各段の入口ガス組成及び流量に適する膜面積を設定することにより、純度の低い二酸化炭素を効率的に分離し、回収されるメタンの純度を高めることができる。

なお、濃縮された高濃度のメタンガスは燃料または原料として使用することができ、分離された高濃度の二酸化炭素は液化炭酸ガスまたは中和処理剤として使用することができる。

図３に、本発明のシステムと従来型の二酸化炭素再濃縮システムとの性能を対比して示す。横軸は透過膜のＣＯ_２／ＣＨ_４分離係数であり、縦軸は全膜面積当たりの供給消化ガス量である。図３は供給圧力を１MPａとした場合であり、透過側圧力は０.１MPａ（大気圧）とした。透過膜は前後２段とし、１段目と２段目の透過膜は同一性能のものを使用した。１段目に対する２段目の膜面積の比は、図４に示すとおりとした。

これらの表に示されるように、供給圧力１MPａでは分離係数が５０以上の膜を用いれば、本発明のシステムは従来型のシステムよりも全膜面積当たりの供給消化ガス量は多くなり、供給圧力１MPａ、分離係数１００の場合には本発明のシステムは従来型のシステムの５倍程度の処理量を達成することが可能である。

さらに分離係数が２００の場合には従来型の８倍程度の処理能力が達成されるので、処理すべきガス量が同一であれば、本発明のシステムは従来に比較して膜面積を数分の一に大幅に削減することができる。しかし分離係数が２００を越える領域では全膜面積当たりの供給消化ガス量の増加は次第に横ばいとなっている。このため使用する透過膜の分離係数は３０〜３００であることが実用的であり、十分な発明の効果を得る観点では分離係数が５０以上の透過膜を使用することが好ましく、透過膜製造の難易度や製造コストの観点では分離係数が２００以下の透過膜でも十分実用に供することができる。
次に本発明の実施例を示す。

前後２段の透過膜を用い、メタンと二酸化炭素との含有比率が６：４であるバイオガスから、高濃度のメタンと二酸化炭素とを回収する実験を行った。使用した透過膜は２段とも、二酸化炭素の透過速度が１×１０^‐６〔mol m⁻² ｓ^−１Ｐａ^−１〕、メタンの透過速度が１×１０^‐８〔mol m⁻² ｓ^−１Ｐａ^−１〕、分離係数１００のＤＤＲ３ゼオライト膜である。なお１段目の膜面積は１ｍ^２であり、２段目の膜面積は８.２ｍ^２である。

バイオガスをコンプレッサにより０.８ＭＰａに加圧し、１段目の透過膜に４４９L／minの流量で供給したところ、濃度９５％の二酸化炭素を１７５L／minの速度で回収することができた。バイオガス中の二酸化炭素の回収率は９２.６％である。１段目の透過膜の非透過ガス４１４L／minを２段目の透過膜の入口に供給して二酸化炭素を透過させ、非透過側から濃度９５％のメタンを２７５L／minの速度で回収した。バイオガス中のメタンの回収率は９７.０％である。なお、２段目の透過膜の透過側〜排出された１３９L／minの二酸化炭素は、コンプレッサの入口側に循環させた。

このように、本発明によれば混合ガス中から高濃度のメタンと二酸化炭素とを効率よく回収することができる。また単一のコンプレッサを使用するだけでよく、２段目以降で圧力操作を必要としないのでエネルギー消費が少なくて済む。また必要膜面積を従来に比較して大幅に削減することができる。

従来の２段式メタン濃縮システムのフロー図である。 本発明の実施形態を示すフロー図である。 本発明のシステムと従来型の二酸化炭素再濃縮システムとの性能を対比して示すグラフである。 ２段目膜面積比を示すグラフである。

符号の説明

１ １段目の分離膜
２ ２段目の分離膜
３ コンプレッサ
４ コンプレッサ
５ 真空ポンプ
１１ 前段の透過膜
１２ 後段の透過膜
１３ コンプレッサ
１４ 循環ライン

Claims (7)

1. 二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスから二酸化炭素を分離してメタンを濃縮するシステムであって、二酸化炭素の透過膜を複数段組み合せて前段の透過膜の非透過ガスを後段の透過膜の入口に導くことを特徴とするメタン濃縮システム。
2. 二酸化炭素の透過膜２段で構成され、後段の入口ガス流量に対する膜面積が前段より大きいことを特徴とする請求項１記載のメタン濃縮システム。
3. ２段目以降の透過膜の透過ガスを、当該透過膜より前段の透過膜の上流側に還流させるラインを備えたことを特徴とする請求項１または２記載のメタン濃縮システム。
4. 二酸化炭素の透過膜がDDR型ゼオライト膜であることを特徴とする請求項１または２または３記載のメタン濃縮システム。
5. 請求項１または２または３の何れかに記載のメタン濃縮システムの運用方法であって、二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスとして、下水汚泥、畜糞、生ゴミのいずれかから発生するバイオガスを使用することを特徴とするメタン濃縮システムの運用方法。
6. 請求項１または２または３の何れかに記載のメタン濃縮システムの運用方法であって、濃縮されたメタンガスを燃料または原料として使用することを特徴とするメタン濃縮システムの運用方法。
7. 請求項１または２または３の何れかに記載のメタン濃縮システムの運用方法であって、分離された二酸化炭素を液化炭酸ガスまたは中和処理剤として使用することを特徴とするメタン濃縮システムの運用方法。

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